WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство Российской Федерации по атомной энергии

Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики

им. Н. Л. Духова

В О П Р О С Ы


А Т О М Н О Й Н А У К И И Т Е Х Н И К И



СЕРИЯ :

Я Д Е Р Н О Е П Р И Б О Р О С Т Р О Е Н И Е







Издается с 1969 г.



Выпуск 1 (19)

НЕТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И АППАРАТУРА НП ИХ ОСНОВЕ














МОСКВА - 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящем сборнике «Нейтронные генераторы и аппаратура на их основе» представлены статьи, отражающие работы, проводимые во ВНИИА, по выпуску нейтронных генераторов нового поколения и аппаратуры на их основе.

В сборнике представлены статьи ведущих специалистов института по следующим вопросам:

  • состояние и основные направления развития разработок скважинной геофизической аппаратуры на основе генераторов нейтронов ВНИИА для нефтегазовой отрасли;
  • аналитический активационный комплекс на основе портативного нейтронного генератора для анализа примесей в металлах;
  • опыт внедрения и эксплуатации импульсного нейтронного каротажа АИНК-43;
  • исследование и выбор оптимальной системы питания скважинных приборов ИНК;
  • система телеметрии аппаратуры ИНК с применением технологии сигнальных процессоров;
  • технологический прибор для контроля содержания калия в минеральных удобрениях;
  • возможность использования нейтронных генераторов в черной металлургии;
  • аппаратура импульсного нейтронного каротажа для определения содержания урана в скважинах на месторождениях, отрабатываемых способом подземного выщелачивания;
  • многозондовая аппаратура импульсного нейтрон-нейтронного каротажа АИНК-89;
  • контроль делящихся материалов в багаже импульсным нейтронным методом;
  • электроизоляционные материалы и особенности их применения в импульсных нейтронных генераторах.

Редакция приглашает к сотрудничеству специалистов в области ядерной энергетики для публикации своих статей в сборнике «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерное приборостроение» и рассмотрит любые предложения по вопросам издания, в том числе и рекламные.

УДК 550.832.53.07/.08

СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТОК СКВАЖИННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРОВ НЕЙТРОНОВ ВНИИА ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Ю.Н Бармаков, д.т.н., Е.П. Боголюбов, И.А. Титов,

А.Г. Амурский, к.т.н., М.В. Шипунов

Рассмотрены современное состояние и перспективы развития одного из важнейших направлений ядерной геофизики – импульсного нейтронного каротажа нефтегазовых скважин.

Во ВНИИА разработаны нейтронные трубки, генераторы нейтронов и каротажная аппаратура нового поколения, конкурентоспособные на мировом рынке.

Одним из основных способов получения информации в процессе разведки и эксплуатации нефтегазовых месторождений являются ядерно-физические методы исследования скважин. Среди этих методов особую роль играют импульсные нейтронные методы каротажа (ИНК), которые, благодаря высокой проникающей способности нейтронов и вторичного -излучения, могут с одинаковым успехом использоваться как в открытом стволе, так и в обсаженной стальной трубой скважине, в которой обычные методы геофизического исследования скважин (ГИС) малоэффективны.

Практическая реализация нейтронных методов каротажа при исследовании разрезов нефтегазовых скважин началась более 40 лет назад, когда один из создателей ядерного оружия академик Г.Н. Флёров в 1956 г. предложил использовать для этих целей генератор нейтронов. Оглядываясь назад, сегодня можно с уверенностью говорить о том, что наша страна вплоть до начала 80-х годов занимала лидирующее положение в области разработки аппаратуры ИНК и масштабов её применения. Особенно интенсивно она применялась при контроле за разработкой месторождений, во время которого каротаж производится, как правило, через насосно-компрессорную трубу (НКТ). При этом пришлось решить сложнейшую проблему создания генераторов нейтронов и всего скважинного прибора в корпусе диаметром не более 43 мм.

Однако в 80-х годах наметилась явная тенденция отставания российской геофизики в области разработки и использования аппаратуры ИНК от крупнейших геофизических компаний, главным образом – американских. Это безусловно стало следствием экономических проблем России в целом и нефтегазовой отрасли в частности, но, наряду с этим, негативную роль сыграли и чисто технические проблемы. Главная из них – низкие технические характеристики отечественных нейтронных трубок и генераторов нейтронов, в то время являющихся основной аппаратурой ИНК. Малый срок службы нейтронных трубок и низкая надёжность аппаратуры обусловили большие эксплуатационные расходы и резкое сокращение объёмов каротажа. Возникла реальная угроза исчезновения этого вида каротажа из арсенала средств отечественной геофизики. В то же время ряд иностранных геофизических компаний начали активно предлагать свою аппаратуру ИНК и геофизические услуги на российский рынок.

В этих условиях ВНИИА Минатома России приступил к работам по созданию и производству аппаратуры ИНК нового поколения. Начав с разработки и серийного выпуска специальных каротажных нейтронных трубок малого диаметра, институт последовательно переходил к разработкам и производству генераторов нейтронов, аппаратурных комплексов, включая детектирующие устройства, устройства телеметрии и обработки каротажной информации, и, наконец, приступил к организации сервисного обслуживания потребителей [1-3].

Улучшилась ситуация с аппаратурой ИНК российского производства. Вклад ВНИИА в изменение ситуации в области скважинной ядерной геофизики с генераторами нейтронов сводится к следующему:

  1. Разработано и серийно выпускается пять типов нейтронных трубок для каротажных генераторов, специально предназначенных для решения нефтегазопромысловых задач. Среди них – газонаполненные нейтронные трубки типа ГНТ с частотой следования нейтронных импульсов до 20 кГц, которые ранее не производились отечественной промышленностью.
  2. На базе этих трубок разработано либо разрабатываются шесть типов каротажных генераторов, из которых три выпускаются серийно, а остальные три находятся в различных стадиях разработки. Этот набор генераторов закрывает практически весь спектр геофизических задач, решаемых аппаратурой ИНК сегодня, а также тех, которые ещё предстоит решать.
  3. На базе этих генераторов разрабатывается несколько видов каротажной аппаратуры ИНК как для разведки, так и разработки нефтегазовых месторождений. Во ВНИИА разработана и с 1998 г. серийно выпускается аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-43, которая успешно применяется в процессе разведки и разработки нефтегазовых месторождений для оценки пористости и нефтегазонасыщенности продуктивных пластов, определения положения водонефтяного контакта и т.д. Высокие технические характеристики аппаратуры в сочетании с относительно невысокой стоимостью делают её вполне конкурентоспособной и на мировом рынке. Ряд фирм Германии используют ИНК для контроля состояния подземных хранилищ газа (ПХГ). Опыт, накопленный ВНИИА и немецкими фирмами, можно использовать также и на российских ПХГ.
  4. В опытной эксплуатации на ряде месторождений Западной Сибири испытывается несколько комплектов новой аппаратуры ИНК – так называемой аппаратуры “углеродно-кислородного каротажа” (С/O –каротажа). Аппаратура такого типа производилась ранее только американскими фирмами.

Для создания российского аналога аппаратуры С/O –каротажа ВНИИА разработал специальный высокочастотный генератор, а НПЦ “Тверьгеофизика” взял на себя функции по разработке остальных частей аппаратуры и её внедрению в промышленную эксплуатацию. Такая аппаратура позволяет однозначно определять характер насыщения пласта флюидами, независимо от их минерализации (концентрация NaCl) пластовых вод.

Однако, несмотря на достигнутый в последние годы прогресс в области разработки отечественной аппаратуры ИНК, положение в этой области ядерной геофизики нельзя назвать стабильным. Западные геофизические компании, в первую очередь - американские, ведут активную работу по расширению своего рынка на российских месторождениях, предлагая свои услуги и аппаратуру. Для успешной конкуренции с этими фирмами необходимо непрерывно совершенствовать нейтронные генераторы, создавать всё более информативную аппаратуру ИНК. В частности, стоит вопрос создания спектрометрической аппаратуры ИНК для определения состава элементов в затрубном пространстве скважины. Такая аппаратура по соотношениям ряда элементов (Ca, Si, Fe, Cl, S, H) позволит определить пористость и литологический состав пластов, выявлять и оценивать пропущенные залежи, исследовать старый фонд скважин.

Перечень выпускаемой и разрабатываемой продукции и их краткая техническая характеристика приведены в таблице.

Перечень выпускаемой продукции и перспективных разработок ВНИИА в области скважинных

генераторов нейтронов и аппаратуры на их основе

Тип аппаратуры Год начала выпуска Диаметр скваж. части, мм Длина скваж. части, мм Максим. рабочая темп., °С Максим. рабочее давление, МПа Средний ресурс, ч Tип генератора/ трубки Состояние разработки Примечание
АИНК-43 1996 43 3300 +120 100 100 ИНГ101 Серия до 35 шт/год 2 зонда ИННК, 20Гц
АИНК-43-50 2001 43 3300 +120 100 100 ИНГ101-50 Опыт.образцы 2 зонда ИННК, 50 Гц
АИНК-43-400 2002 43 3700 +120 100 300 ИНГ-08 В разработке 2 ИНГК/ИННК,400Гц
АИНК-43-50Г 2002 43 3300 +120 100 100 ИНГ101-50 Опыт.образцы 2 зонда ИНГК, 50 Гц
АИНК-89 2002 89 3500 +120 70 300 ИНГ-06-1 Опыт.образцы 4 зонда ИННК, 400Гц
ИНГ-101 1996 34 1240 +120 - 100 ВНT1-26 TНT-1411 Серия до 250 шт/год 1х108 н/с 1-20 Гц
ИНГ-101-50 2001 34 1180 +120 - 100 ВНT1-26 Опыт.образцы 1х108н/с, 1-50 Гц
ИНГ-11 2000 27 1300 +120 - 50 ВНT1-20 TНT-1415 Опыт.образцы 5х107н/с 1-20 Гц
ИНГ-12 2001 44 980 +120 - 50 ВНT1-26 НT-145 Опыт.образцы 5х108н/с 1-50 Гц
ИНГ-06-1 1998 70 1200 +120 - 300 ГНT1-32 Серия до 20 шт/год 1х108н/c 400-1000 Гц
ИНГ-06-10 1998 70 1200 +120 - 300 ГНT1-32 Серия до 20 шт/год 1х108н/c, 10 кГц
ИНГ-08-1 2001 34 2000 +120 - 300 ГНT1-26 Опыт.образцы 1х108н/c 400-1000 Гц
ИНГ-08-10 2001 34 2000 +120 - 300 ГНT1-26 В разработке 1х108н/c,10 кГц

Литература

1. Боголюбов Е.П., Титов И.А., Хасаев Т.О. и др. Разработка и производство нейтронных трубок, генераторов нейтронов и аппаратуры ИНК на их основе во ВНИИА.//Тезисы докладов конференции. Современная ядерная геофизика при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений. - Бугульма 18-20 мая 2001, с. 12-14.

2. Боголюбов Е.П., Горбатюк О.В., Громов Е.В. и др. Аппаратурно-методические комплексы импульсного нейтронного каротажа (АМК ИНК) нового поколения: результаты, проблемы, перспективы.//Тезисы докладов конференции. Современная ядерная геофизика при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений. - Бугульма 18-20 мая 2001, с. 15.

3. Боголюбов Е.П., Титов И.А., Хасаев Т.О. и др. Разработка и производство нейтронных трубок, генераторов нейтронов и аппаратуры ИНК ВНИИА.//Тезисы докладов симпозиума. Новые технологии в геофизике. - Уфа 22-24 мая 2001, с. 126-127.

УДК 539.1.074.8

АНАЛИТИЧЕСКИЙ АКТИВАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПОРТАТИВНОГО НЕЙТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ АНАЛИЗА ПРИМЕСЕЙ В МЕТАЛЛАХ

В.Д. Александров, В.Т. Бобылев, Е.П. Боголюбов, к.ф.-м.н. Л.А. Корытко,

Ю.Г. Полканов, В.И. Рыжков

Во ВНИИА начата разработка технологии нейтронно-активационного анализа (НАА) содержания кислорода и других примесей в титане и сплавах на его основе, выпускаемых Верхне-Салдинским металлургическим производственным объединением. В данной статье обоснован выбор в качестве источника быстрых нейтронов для этой технологии одного из импульсных нейтронных генераторов, созданных во ВНИИА, а также рассмотрены варианты мониторирования потока нейтронов такого источника. Сделан вывод, что для обеспечения высокой производительности анализа на один-два элемента целесообразно регистрировать -излучение наведенной в образце активности с помощью сцинтилляционного детектора на основе кристалла NaI(Tl) большого объема с колодцем. Для анализа -спектра может быть применен отечественный программно управляемый спектрометр SBS-60, устанавливаемый в компьютер. Этот спектрометр позволяет использовать и детектор высокого энергетического разрешения на основе особо чистого германия при необходимости выполнения многоэлементного анализа одного образца.



Введение

Уже несколько десятилетий во многих странах, в том числе и в России, нейтронно-активационный анализ (НАА) успешно применяется как в научных исследованиях, так и для аналитического обеспечения промышленного и сельскохозяйственного производств. Этот ядерно-физический метод анализа основан на облучении вещества потоком нейтронов и последующем измерении спектра -излучения радионуклидов, являющихся продуктами различных реакций нейтронов с ядрами элементов в анализируемом образце. По характерным пикам в спектре -излучения активированного образца идентифицируют присутствующие в образце элементы, а по величине этих пиков определяют содержание интересующих элементов. Благодаря большому разнообразию нейтронных ядерных реакций, которые могут быть положены в основу конкретных методик НАА, набор возможных анализируемых элементов достаточно широк, а продолжительность анализа обычно составляет от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Высокая проникающая способность нейтронов и -квантов обусловливает неразрушающий характер нейтронно-активационного анализа. Этот метод не требует трудоемкой пробоподготовки и позволяет многократно проанализировать один и тот же образец вещества в твердой или жидкой фазе, что обеспечивает возможность повышения точности результата, а при использовании так называемого циклического режима – и повышение чувствительности анализа.

Помимо этого, нейтронно-активационный метод позволяет анализировать образцы массой до нескольких десятков граммов, что значительно превышает величину навески в других методах, обеспечивая тем самым высокую представительность анализа.

Инструментальный вариант многоэлементного НАА (ИНАА), при котором для селективного измерения активности интересующих радионуклидов используется не радиохимическое их разделение, а только аппаратные средства и специальные программы обработки зарегистрированных -спектров, позволяет полностью автоматизировать процесс анализа. Режимы облучения образцов нейтронами и измерения инициированного -излучения, методы обработки зарегистрированных аппаратурных спектров и вычисления содержания элементов могут быть заданы программно с помощью компьютера, управляющего всем ходом анализа. Это обеспечивает высокую производительность метода, что особенно важно при выполнении массовых поточных анализов с целью контроля технологических процессов и качества продукции [1- 4].

Источник нейтронов

В качестве источника нейтронов наибольшее применение в системах ИНАА находит нейтронный генератор, генерирующий по (d-T)-реакции быстрые нейтроны с энергией около 14 МэВ [5]. На нейтронах с такой энергией происходит большинство пороговых ядерных реакций, подходящих для экспрессных методик анализа. В частности, широко применяемое нейтронно-активационное определение содержания кислорода основано на реакции 16O (n,p)16N, порог которой равен приблизительно 10,2 МэВ.

Один из типов такого генератора быстрых нейтронов – малогабаритный импульсный генератор на отпаянной трубке – в наибольшей степени соответствует тем требованиям, которые предъявляются к проектируемой нейтронно-активационной установке производственного назначения [6]. Важнейшими из них являются обеспечение потока нейтронов на уровне, не ниже 5109 нейтр./с, возможность работы под управлением компьютера и максимальная радиационная безопасность. Конструкция генератора позволяет проводить оперативную замену блоков нейтронных трубок, что обеспечивает достаточный ресурс для выполнения больших объемов анализов.

Семейство импульсных генераторов нейтронов (ИНГ), разработанных и серийно выпускаемых во ВНИИА, насчитывает более 15 типов. Особенно важны для применения в производственных условиях такие их достоинства как портативность, низкое энергопотребление, широкий диапазон частоты повторения и длительности нейтронного импульса и практически полная безопасность в выключенном состоянии. Вследствие относительно малых габаритов при эксплуатации импульсных генераторов не требуется громоздкой радиационной защиты: например, такой генератор может быть размещен в скважине в полу лабораторного помещения или в полости бака, заполненного водой.

Мониторирование плотности потока нейтронов

Наибольшее распространение на практике получил относительный метод количественного анализа, состоящий в сравнении активности аналитического радионуклида в исследуемом образце и в образце с известным содержанием определяемого элемента. При этом неизвестный образец и образец сравнения облучают одновременно или раздельно во времени. Последний вариант анализа позволяет использовать более простую по конструкции одноканальную пневмопочту при условии обеспечения надежного мониторирования плотности потока быстрых нейтронов в месте облучения образца. Это требование связано с флюктуацией во времени потока быстрых нейтронов, характерной для источников ускорительного типа – нейтронных генераторов. Помимо этого, у некоторых моделей импульсных генераторов нейтронов наблюдается непостоянство положения «активного пятна» на мишени из-за угловой флюктуации пучка дейтронов. Вследствие большого градиента плотности потока нейтронов вблизи мишени, это также может приводить к заметным колебаниям наведенной в образце активности от цикла к циклу облучения.

Флюктуации потока нейтронов в процессе облучения влияют различным образом на величину наведенной активности образца и число отсчетов в канале монитора. Если в счетчике монитора количество отсчетов увеличивается в результате простого суммирования, то активность радионуклида в образце возрастает или убывает экспоненциально, приближаясь в пределе к уровню насыщения, который определяется плотностью потока нейтронов, усредненной по объему образца. Таким образом, число отсчетов в канале монитора соответствует флюенсу за все время облучения, в то время как активность интересующего радионуклида в образце определяется в большей степени действующим значением плотности потока нейтронов в конце периода облучения. Такое различие становится тем значительнее, чем больше продолжительность облучения превышает период полураспада образующегося радионуклида.

По этим причинам мониторирование потока нейтронов с помощью какого-либо из распространенных детекторов быстрых нейтронов, газонаполненного или твердотельного, не является оптимальным с точки зрения сходимости результатов анализа. Предпочтительнее применение двухканальной пневмотранспортной системы, в составе которой имеется специальная камера облучения для одновременного облучения анализируемого образца и стандартного образца определенного состава, который выполняет функцию монитора потока. Камера во время облучения обеспечивает вращение этих образцов вокруг двух взаимно перпендикулярных осей: оси пучка нейтронов и собственных осей, что позволяет усреднить эффективную плотность потока нейтронов по объемам образца и стандарта. При одновременном анализе нескольких элементов целесообразно использовать во втором канале вместо одноэлементного стандарта монитор потока нейтронов, представляющий собой смесь двух или более компонентов, содержащих определяемые элементы. Масса каждого из этих элементов должна быть достаточной для обеспечения приемлемой статистической погрешности мониторирования потока нейтронов. В этом случае измерение наведенной активности образца и монитора выполняется в течение нескольких интервалов измерения, задаваемых в соответствии с периодами полураспада аналитических радионуклидов, и при вычислении результатов анализа используется нужное число отсчетов от монитора.

Альтернативным решением проблемы мониторирования потока нейтронов является использование в спектрометрическом тракте монитора интегрирующей цепи с варьируемой постоянной времени. Задавая значение этой постоянной, равное периоду полураспада аналитического радионуклида, можно с помощью такого монитора адекватно учитывать временную нестабильность потока нейтронов генератора. Следует отметить, что этот способ мониторирования, во-первых, не позволяет отслеживать пространственные изменения геометрии облучения, произошедшие по разным причинам. Во-вторых, достаточно сложно осуществить подобным образом корректное мониторирование потока нейтронов при анализе нескольких элементов одновременно.

В силу рассмотренных выше факторов, базовый вариант проектируемой установки НАА будет включать двухканальную пневмотранспортную систему с общей камерой облучения анализируемого и стандартного образцов (или монитора потока нейтронов) и отдельными камерами измерения наведенной в них активности (см.рисунок).

Измерение спектров -излучения

Для регистрации -излучения наведенной активности предполагается предусмотреть возможность использования в установке НАА не только сцинтилляционных, но и полупроводникового детектора на основе особо чистого германия, что позволит при необходимости значительно расширить список анализируемых элементов. С этой целью обработка сигналов от детектора -квантов будет выполняться с помощью универсального спектрометрического устройства, разработанного и изготавливаемого в России [7].

Упрощенная схема установки инструментального НАА

Устройство представляет собой программно управляемый процессор импульсных сигналов от детектора, выполненный на одной плате, которая устанавливается в компьютер. На плате находятся все узлы, необходимые для получения амплитудного распределения сигналов, интерфейс связи с компьютером, где происходит накопление и обработка данных измерений, а также источники низковольтного питания предусилителя и высоковольтного питания ФЭУ или смещения полупроводникового детектора.

К спектрометрическому устройству, предназначенному для измерения -излучения наведенной активности, предъявляются особые требования. Это обусловлено высокими (до 105 1/с) скоростями счета на входе устройства в начале измерения активности образца сразу после окончания облучения, быстрым снижением скорости счета при измерении короткоживущих активностей и изменением формы аппаратурного спектра в процессе измерения при многоэлементном анализе. По этим причинам потребуется доработка спектрометра, направленная на повышение его быстродействия и уменьшение электронных потерь импульсов.

Правильность результатов количественного анализа, основанного на -спектрометрии, в значительной мере определяется величиной электронных потерь счета, которые обусловлены конечными значениями временных констант цепей обработки сигнала с детектора -квантов. В усилителе-формирователе это приводит к наложениям импульсов, в результате чего, с одной стороны, часть полезной информации выводится за пределы «области интереса» в аппаратурном спектре, а, с другой, в этот интервал энергии попадают импульсы, не связанные с определяемым элементом. В амплитудно-цифровом преобразователе это приводит к просчету событий, приходящих на вход АЦП в течение времени кодирования сигнала. Корректная компенсация электронных потерь в условиях переменных входной скорости счета и формы аппаратурного спектра не является тривиальной задачей. Известный метод коррекции просчетов путем добавления отсчетов «быстрого» счетчика, зарегистрированных в течение периода занятости АЦП, в канал с кодом, отличным от выработанного АЦП, не всегда дает хорошие результаты при переменном составе входного -спектра [ 8 ].

По предварительным оценкам более приемлемой является коррекция просчетов путем умножения числа отсчетов в каждом канале анализатора на коэффициент, равный отношению суммы отсчетов «быстрого» счетчика и интегрального числа отсчетов во всем зарегистрированном спектре [9]. Возможная модификация такого способа состоит в том, что процедура корректировки просчетов будет производиться в течение всего периода измерения наведенной активности с частотой, определяемой скоростью изменения входной загрузки спектрометра.

Выбор типа детектора -квантов определяется особенностями конкретной аналитической задачи. Так, например, при определении содержания в металлах таких газовых микропримесей как кислород или хлор, целесообразно применять детектор с высокой эффективностью регистрации жестких -квантов, так как анализ этих элементов выполняется по радионуклидам 16N и 37S, испускающим фотоны с энергией 6,13 и 3,10 МэВ, соответственно. В этом случае представляется целесообразным применение сцинтиллятора на основе кристалла NaI(Tl) большого объема с колодцем. Перспективным вариантом детектора для поточного экспресс-анализа может быть и сцинтиллятор на основе кристалла ортогерманата висмута BGO. В последнее время детекторы этого типа приблизились по энергетическому разрешению к сцинтилляторам на основе кристалла NaI(Tl) и имеют близкие к последнему временные характеристики, обладая при одинаковом объеме в два-три раза большей эффективностью регистрации высокоэнергетичных -квантов.

В результате одинаковые метрологические характеристики анализа: чувствительность и точность могут быть достигнуты при меньших значениях потока нейтронов генератора или при сокращенном времени облучения, что способствует увеличению срока службы нейтронной трубки.

При выполнении многоэлементного анализа в спектре -излучения наведенной активности обычно присутствует большое количество интерферирующих линий. Примером подобной задачи является контроль состава сплавов в металлургии. В этом случае для надежного измерения интенсивностей аналитических линий необходимо использовать ППД высокого разрешения на основе особо чистого германия.

Для измерения -излучения, наведенного в образцах сравнения – стандартных образцах или мониторах потока нейтронов,– достаточно использовать сцинтиллятор средних размеров, так как обычно не представляет проблемы довести массу интересующих элементов в этих образцах до уровней, обеспечивающих приемлемую статистику измерений.

В заключение следует отметить, что проектируемая активационная установка должна стать базовым прототипом, т.е. обеспечивать возможность относительно простой адаптации нейтронно-активационной технологии элементного анализа к специфике конкретной задачи на том или ином предприятии. Это требование предъявляется как к составу аппаратуры и структуре пневмотранспортной системы установки, так и к программному обеспечению (ПМО). В ПМО установки должны входить модули управления работой генератора нейтронов и пневмотранспортной системы, позволяющие задавать оптимальный режим анализа интересующих элементов, а также подпрограммы обработки -спектров и вычисления результата и его погрешности.

Как показывает опыт применения методов НАА, несмотря на относительно высокую стоимость аппаратуры, использование этой технологии во многих случаях становится экономически оправданным в расчете на стоимость одного элементоопределения, вследствие высокой производительности и исключения затрат на пробоподготовку.

Литература

  1. Егиазаров Б.Г., Корытко Л.А., Сельдяков Ю.П. Измерительная техника в инструментальном нейтронно-активационном анализе. М.: Атомиздат, 1972, с.26.
  2. Вожжов В.Ф., Егиазаров Б.Г., Александров В.Д., Корытко Л.А. Опыт и перспективы использования установки активационного анализа для аналитического обеспечения селекционных исследований. Там же, с.26.
  3. Андреев А.В. Новые возможности активационного анализа с использованием нейтронных генераторов. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук. Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "ГИРЕДМЕТ". Москва, 1999
  4. James W.D. 14 MeV Fast Neutron Analysis the Year 2000. J.Radional.Nucl.Chem.,243, 119-123 (2000).
  5. Кирьянов Г.И. Тенденции разработки портативных генераторов нейтронов с запаянными трубками.// Тезисы докладов 3-го Всесоюзного научно-технического совещания. Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов. Киев, ноябрь, 1988, с.1.
  6. Боголюбов Е.П., Хасаев Т.О., Коротков С.А. Нейтронный генератор нового поколения ИНГ-17 для аппаратуры элементного анализа на основе нейтронно-радиационных методов.// Сборник материалов VII седьмого ежегодного семинара. Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ. – Обнинск: ГЦИПК, 20-24 ноября 2000, 290 с.
  7. Дорин А.Б., Кондрашов М.В., Сельдяков Ю.П. Быстродействующее спектрометрическое устройство SBS-60 и области его применения. // Труды научно-инженерного центра «СНИИП». Ядерные измерительно-информационные технологии-99. М.: Измерительно-информационные технологии, 1999, с.88.
  8. Электронные методы ядерной физики. Под ред. Л.А. Маталина. М.: Атомиздат, 1973, с.190.
  9. Барышев Л.В., Корытко Л.А. Методы уменьшения и учета просчетов в амплитудной спектрометрии. Труды научно-инженерного центра «СНИИП». Ядерные измерительно-информационные технологии-99. М.: Измерительно-информационные технологии, 1999, c.145.

УДК 550.832.5

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АППАРАТУРЫ

ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА АИНК-43

Е.П. Боголюбов, И.А. Титов, М.В. Шипунов, А.Г. Амурский, к.т.н.

В статье рассмотрен опыт внедрения аппаратурно-методического комплекса (АМК) импульсного нейтронного каротажа АИНК-43, выпускаемого во ВНИИА. Представлены порядок взаимодействия с потребителем аппаратуры в части гарантийных обязательств, внедрения и сервисного обслуживания.

Разработка аппаратурно-методического комплекса (АМК) АИНК-43 во ВНИИА завершилась в апреле 1998 г. Его краткие технические и метрологические характеристики, а так же методы их определения опубликованы в научно-техническом вестнике [1, 2, 3]. Технические условия на АИНК-43 соответствуют стандарту СТ ЕАГО-043 "Геофизическая аппаратура и оборудование. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа. Параметры, характеристики, требования. Методы контроля и испытаний".

В период разработки проводились демонстрации и поставка опытных образцов в различные геофизические организации, российские и зарубежные, производственные и научно-исследовательские. К настоящему времени поставлено более 70 комплектов АИНК-43 в Россию и страны ближнего и дальнего Зарубежья. В Среднем Приобъе, Волжском регионе, Казахстане, Калининградской и Полтавской областях АИНК-43 используется, в основном для контроля за разработкой нефтяных месторождений, а немецкой фирмой BLM - для контроля режимов эксплуатации подземных хранилищ газов (ПХГ). В ОАО "Нижневартовскнефтегеофизика" имеется опыт использования АИНК-43 в горизонтальных скважинах. Все поставки сопровождались внедрением АМК с участием специалистов ВНИИА. В результате накоплен определенный опыт в решении проблем, возникающих при освоении новой техники.

Наиболее важной на этапе внедрения АИНК-43 была проблема обеспечения и контроля качества на уровне, гарантированном в технических условиях в пределах срока службы. Качество аппаратурно-методического комплекса, на наш взгляд, определяется его метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Метрологические характеристики устанавливаются и проверяются на стандартных образцах горных пород в части основных погрешностей и на испытательных стендах - в части дополнительных погрешностей, вызываемых изменениями окружающей температуры, напряжения питания и механическими воздействиями. Дополнительные погрешности, вызываемые отличием литологии, диаметра скважины и минерализации пластовых и скважинных вод от стандартных образцов, определяются расчетным путем и могут быть проверены или уточнены для конкретных месторождений после проведения большого объема опытно-методических работ. Эксплуатационные характеристики определяют величину затрат геофизической организации на приобретение, внедрение и эксплуатацию аппаратурно-методического комплекса данного типа. К наиболее важным характеристикам относятся: цена комплекса, параметры его надежности и долговечности, стоимость его внедрения и ремонта, стоимость проведения работ и результатов интерпретации данного метода геофизических исследований скважин (ГИС) согласно расценке заказчиком геофизических услуг.

При поставках АМК АИНК-43 проводились работы по внедрению, включающие:

  • электрическое, механическое и информационное согласование аппаратуры и программного обеспечения комплекса с аппаратурой и программным обеспечением каротажной станции;
  • проверку метрологических характеристик комплекса в нормальных условиях;
  • проверку воспроизводимости результатов, каротажа в скважинных условиях.

При проведении работ осуществлялось обучение персонала каротажной, метрологической, ремонтной и контрольно-интерпретационной служб организации-покупателя в объеме инструкции по эксплуатации и технического описания комплекса.

Для контроля стабильности метрологических характеристик при эксплуатации аппаратурно-методического комплекса использовались результаты периодических измерений в бассейне с пресной водой и данные каротажа с интервалами перекрытия.

Восстановление метрологических характеристик требуется либо в случае катастрофического отказа одного из блоков, либо в результате постепенного ухудшения характеристик работы и надежности блоков. В любом случае требуется ремонт аппаратуры. Наш опыт внедрения показывает, что наиболее целесообразно ремонт, проводимый силами ремонтной службы организации-покупателя, ограничить диагностикой и заменой отказавшего узла или блока. При этом под узлом понимается печатная плата или моточные изделия с контактными панелями, для замены которых требуются операции отпаивания и припаивания выводов к контактным точкам. Блоки нейтронной трубки, питания и управления нейтронного генератора, наземного пульта управления снабжены разъемными соединителями и для их замены не требуется пайка. Ремонт узлов или блоков производится во ВНИИА, после чего они подвергаются необходимому объему испытаний для выявления скрытых отказов. После успешного прохождения испытаний они возвращаются покупателю. Такой порядок принят для всех блоков, кроме блока нейтронной трубки, который после ремонта используется только для испытаний, а покупателю направляется новый блок: при этом на все блоки, прошедшие ремонт, сохраняются гарантийные обязательства изготовителя. Если ремонтная служба организации-покупателя проводит ремонт блоков или узлов своими силами, то гарантийные обязательства считаются недействительными, так как изготовитель не может проконтролировать качество выполненных операций. В этом случае все необходимые последующие ремонтные операции ВНИИА выполняет на договорной основе или ограничивается бесплатными консультациями для технических специалистов покупателя. Нужно заметить, что на комплект узлов и блоков АИНК-43, кроме блоков нейтронного генератора, установлена довольно низкая цена (около 7% от цены комплекса). Покупатель может приобрести этот комплект, который называется "групповой ЗИП АИНК-43", отдельно или вместе с АИНК-43, что позволит ему оперативно проводить ремонт без потери гарантийных обязательств.

Отметим, что для некоторых организаций, имеющих несколько комплектов АМК АИНК-43 и приобретающих значительное количество блоков трубок, предоставляющих ВНИИА информацию о статистике наработки ресурсных блоков, установлен увеличенный до 70 ч гарантийный ресурс работы блока трубки.

Выводы

Во ВНИИА разработан и выпускается аппаратурно-методический комплекс импульсного нейтронного каротажа АИНК-43, который может быть поставлен после полной предоплаты заказчиком в соответствии с планом выпуска и поставки, либо немедленно при наличии аппаратуры на складе.

При поставке АИНК-43 специалистами ВНИИА выполняются работы по внедрению, стоимость которых входит в цену комплекса.

Организации-покупателю АИНК-43 заранее, до начала работ по внедрению, сообщаются требования по метрологическому обеспечению при эксплуатации комплекса, которые не могут быть выполнены без участия покупателя.

Для оперативного ремонта АИНК-43 силами своей ремонтной службы с сохранением гарантийных обязательств производителя покупатель может приобрести комплект "групповой ЗИП АИНК-43".

Результатом каротажа АИНК-43 является текстовый файл в формате LAS 2.0, который поддерживается всеми геофизическими АРМ.

Специалисты ВНИИА готовы участвовать в разработке методики количественной интерпретации результатов каротажа АИНК-43.

Литература:

  1. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-43.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1997, вып.31, с.45-49.
  2. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-43.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1998, вып.52, с.94-99.
  3. Амурский А.Г., Титов И.А., Боголюбов Е.П. и др. Метрологическая аттестация и сертификация аппаратуры двухзондового импульсного нейтрон-нейтронного каротажа.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1997, вып.35, с.96-103.

УДК 539.1.074.8

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СКВАЖИННЫХ ПРИБОРОВ ИНК

Д.И. Морозов, И.А. Титов, В.А. Цыганков, к.т.н., В.Н.Шеблаков

Процессы генерации нейтронов, регистрации вторичного излучения, обработки, накопления и передачи информации из скважинного прибора (СП), требуют передачи электрической энергии по грузонесущему каротажному кабелю длиной 1,5 - 6 км и более от наземного источника электропитания к СП. Оптимальные способы преобразования и рассеяния этой энергии внутри скважинного прибора рассматриваются в настоящей статье.

Скважинный прибор аппаратуры ИНК состоит из секции генератора импульсного нейтронного потока и регистрации, обеспечивающей детектирование тепловых нейтронов, обработку и прием – передачу информации между СП и наземной аппаратурой. Если энергоемкость измерительной части аппаратуры и может быть в некоторой мере снижена выбором микромощных схемных решений и элементной базы, обеспечивающих требуемые производительность и точность обработки информации, то мощность, необходимая для генерации нейтронов вакуумной трубкой, составляет порядка 25 Вт для выходного потока 108 14 - МэВных нейтронов в секунду (т.е. порядка 5* 106 нейтронов на ватт), в ближайшее время вряд ли может быть существенно снижена и является основным источником потребления СП импульсного нейтронного каротажа (ИНК).

Очевидно, что эффективность передачи и преобразования электрической мощности в СП и рациональность соответствующих технических решений в значительной мере определяют такие характеристики аппаратуры ИНК как безотказность, долговечность, предельная рабочая температура и т.п.

Следует отметить, что находящиеся в эксплуатации СП ИНК, питаемые переменным напряжением повышенной частоты (400 Гц – 1 кГц) и требующие использования многожильных каротажных кабелей, можно считать морально устаревшими и не отвечающими современным требованиям заказчиков.

Возможность питания СП постоянным напряжением и двусторонней передачи информации через одножильный каротажный кабель с достаточно широко варьируемыми электрическими параметрами существенно облегчают сопряжение с оборудованием заказчика и расширяют сферу применения аппаратуры. Понятно, что при этом необходимо обеспечить одновременно передачу и мощности, и информации. Именно такой способ питания и связи скважинной аппаратуры с наземной был принят за основу при разработке во ВНИИА комплексов ИНК типа АИНК-43 и АИНК-60 (см. рисунок).

При этом осуществлялся обоснованный выбор:

  • величины входного питающего напряжения;
  • критериев оптимальности силовых преобразователей входного напряжения излучающей и регистрирующей частей аппаратуры;
  • структурной и принципиальной схем этих преобразователей;
  • элементной базы для их реализации;
  • рабочих частот инверторов преобразователей;
  • направления дальнейшего усовершенствования силовой части аппаратуры.

Блок регистрации Блок питания и управления Блок трубки

Структурная схема системы питания скважинного прибора ИНК

Ясно, что все перечисленные пункты взаимосвязаны и положительный результат достижим только при рассмотрении и реализации их в комплексе.

Омическое сопротивление реальных каротажных кабелей зависит от типа и длины и может изменяться от 20 до 200 Ом. Поэтому наземный блок электропитания вместе с каротажным кабелем по отношению к СП с потреблением в десятки ватт, не является идеальным источником напряжения. Не идеальность приводит к следующим факторам паразитного взаимовлияния кабеля и СП:

  • изменению напряжения на входе СП из-за нестационарного потребления тока при изменении режимов работы СП;
  • зависимости режима работы формирователя информационных сигналов СП от типа и длины кабеля;
  • искажению информационных импульсов пульсациями, связанными с рабочими частотами инверторов преобразователей при импульсном характере потребляемого ими тока.

Очевидно, что повышение номинального значения входного напряжения на СП одновременно снижает как потребляемый ток, так и его пульсации и соответствующие потери на омическом сопротивлении кабеля. Физическим пределом при этом является пробивное напряжение, которое для реальных кабелей может составлять от 300 до 1500 В.

Фактически, максимальные рабочие напряжения определяются наличием и стоимостью элементной базы, в частности, ключевых элементов для реализации инверторов входного напряжения СП. Отметим, что максимальное рабочее напряжение непропорционально "дороже" максимального рабочего тока для коммутирующих элементов с одинаковой мощностью.

Выделяемая СП мощность создает градиент температур между его внутренним объемом и окружающей средой. Естественным резервом для снижения как выделяемой мощности, так и указанного градиента, является реализация максимально возможного КПД в преобразователях мощности СП. Однако существенной является не только величина общей рассеиваемой мощности, но и ее распределение по конкретным элементам электрической схемы, а также конструктивное исполнение тепловыделяющих элементов, поскольку затрудненный теплообмен внутри СП вызывает их локальный перегрев. Вместе с тем, перегрев различных элементов не равнозначен. Так, например, некоторые ферромагнитные материалы, в соответствии с техническими условиями, работоспособны при температурах 200 и более градусов Цельсия. Гораздо более критичны к перегреву такие элементы, как высоковольтные конденсаторы большой реактивной мощности и силовые полупроводниковые элементы. Поэтому структурные и схемные решения, направленные на минимизацию потерь мощности именно в критичных элементах, предпочтительны.

Известно [6, 7], что минимизация потерь в ключевых элементах инверторов достигается в схемных решениях, реализующих коммутацию этих элементов при нулевых токе или напряжении (мягкое переключение), причем в схемах с повышенным входным напряжением коммутация в нуле напряжения более эффективна.

При выборе и проектировании преобразователей мощности аппаратуры ИНК анализировались и исследовались следующие их типы, в которых возможна реализация мягкого переключения:

  • преобразователи [1,с.5,6; 4, с.76-80; 6] на основе инверторов напряжения - последовательных резонансных инверторов;
  • преобразователи [1,с.6-11; 4,с.81-85] на основе инверторов тока - параллельных резонансных инверторов;
  • прямо- и обратноходовые квазирезонансные преобразователи [7];
  • преобразователи [3, с.60-73] на основе инверторов с реактором переменного тока в первичной цепи;
  • преобразователи [5, с.248-262] на основе мостовых квазирезонансных фазосдвигающих инверторов.

Основное внимание целесообразно акцентировать на узлах силовой части, выполненных нетрадиционно, с указанием достоинств, позволившим авторам отдать им предпочтение.

Скважинная аппаратура ИНК, выпускаемая ВНИИА, имеет проверенное практикой конструктивное исполнение в виде двух функциональных блоков: излучателя и регистрации, расположенных в отдельных герметичных охранных кожухах, связываемых соединительной муфтой.

Важным отличием от традиционного исполнения излучателя как единого объема, заполняемого трансформаторным маслом, является его реализация в виде соединяемых высоковольтным разъемом двух неразборных ресурсных изделий:

  • блока трубки (БТ), заполненного маслом и содержащего вакуумную нейтронную трубку (НТ), включенную по биполярной схеме, высоковольтные трансформаторы и накопительные конденсаторы;
  • блока питания и управления (БПУ), содержащего источник зарядного напряжения накопительных конденсаторов БТ, высоковольтный коммутатор этого напряжения – сильноточный коммутирующий элемент частотный (СКЭЧ), формирователь импульсов управления (ФИУ) коммутатором и служебный источник питания (СИП).

Такое конструктивное исполнение излучателя сделало необязательным участие в его обслуживании специалистов по высоковольтной и вакуумной технике.

Эффективность тех или иных схемных решений преобразователей напряжения зависит от номиналов входного напряжения и, в особенности, от характера нагрузки.

Основным потребителем энергии для БПУ являются накопительные конденсаторы БТ. В соответствии с принятой классификацией [2, с.42], схемы зарядных устройств емкостных накопителей энергии принято подразделять на устройства с нерегулируемым и регулируемым зарядным процессом, а также на устройства с жесткой выходной характеристикой преобразования (с токоформирующими элементами) и с дозаторами энергии.

Источник зарядного напряжения, реализованный в БПУ, может быть отнесен к классу зарядных устройств с нерегулируемым процессом заряда (поскольку в инверторе излучателя (ИИ) отсутствуют специальные технические средства, направленные на управление скоростью заряда) и емкостным дозатором энергии, роль которого выполняют конденсаторы двухтактной схемы умножения напряжения (СУН).

Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем выключения ИИ схемой сравнения блока стабилизации (БС) в момент достижения зарядным напряжением БТ номинального значения.

Особенностью рассматриваемого источника зарядного напряжения является выполнение ИИ, в качестве которого использован двухтактный ключевой синусоидальный генератор с параллельным включением резонансного контура (инвертора тока), работающий в режиме автогенератора. При традиционном использовании, т. е. при работе на резонансной частоте с активной нагрузкой и высокой добротностью контура, резонансные инверторы тока обладают рядом важных полезных свойств [1,с. 6-7; 4, с. 81-84]:

  • от источника питания генератора потребляется постоянный, пропорциональный нагрузке ток;
  • коммутация ключевых элементов осуществляется при нулевом напряжении;
  • ключевые транзисторы не коммутируют реактивную мощность контура, которая (при высокой добротности) существенно превышает активную.

В зарядном устройстве БПУ элементом параллельного колебательного контура является повышающий резонансный трансформатор, выходная обмотка которого нагружена на СУН с накопительной емкостью БТ, эффективное значение которой ~ 0,15 мкФ на выходе.

По мере заряда накопительных конденсаторов БТ меняются углы отсечки диодов СУН, нелинейные искажения синусоидального напряжения, текущая резонансная частота и входной ток, потребляемый ИИ. Потребляемый ток и текущий период колебаний при этом меняются от максимума (при срабатывании коммутатора и нулевом напряжении накопительной емкости) до минимума (в момент достижения выходным напряжением БПУ номинального ~ 3,5 кВ значения и блокировкой инвертора). Однако режим автогенерации, несмотря на нестационарность нагрузки, дает возможность ИИ все время работать на текущей резонансной частоте. При этом полезные свойства резонансных инверторов тока, указанные выше, сохраняются.

Реализация удовлетворительных технических характеристик выбранной структурной схемы зарядного устройства потребовала использования как специальных конструктивных решений (например, симметричная намотка резонансного трансформатора), так и тщательного подбора элементной базы. Так, например, весьма высокие требования предъявляются к тангенсу угла диэлектрических потерь не только основного резонансного конденсатора колебательного контура автогенератора (что, вообще говоря, очевидно), но и к конденсаторам СУН, которые, в отличие от традиционного применения, когда пульсации на конденсаторах схемы умножения пренебрежимы по сравнению с постоянным на них напряжением, в процессе заряда накопительной емкости БТ пропускают через себя значительную реактивную мощность.

Эффективные методы улучшения технических характеристик БПУ показали рациональный выбор материала сердечника магнитопровода резонансного трансформатора и рабочей частоты инвертора. В указанном сердечнике целесообразно использовать феррит не только с малым коэффициентом удельной мощности потерь на перемагничивание в рабочем диапазоне частот, но и с отрицательным значением этого коэффициента в наиболее вероятном диапазоне рабочих температур. Реальное быстродействие даже лучших из современных высоковольтных выпрямительных диодов делает в настоящее время нецелесообразным повышение рабочей частоты инвертора БПУ более 70 кГц.

Работа регистрирующей части аппаратуры должна обеспечиваться целым рядом питающих напряжений с разными номиналами, потреблением и стабильностью. Двумя крайними вариантами являются реализация этих напряжений в одном многоканальном преобразователе входного напряжения или в виде ряда преобразователей по числу требуемых напряжений. Все питающие напряжения имеют общую точку с корпусом СП. Поэтому их гальваническая развязка от входного напряжения СП, вообще говоря, не нужна. Однако детекторы БД требуют высокого (существенно превышающего входное), а аналоговые и цифровые части регистрации и телеметрии ряда низких (существенно ниже входного) напряжений питания. Поэтому реализация преобразователей входного напряжения на основе бестрансформаторных импульсных регуляторов нерациональна из-за слишком большого соотношения времен рабочего такта и паузы при коммутации ключевых элементов. В связи с тем, что детекторы потребляют малую (пренебрежимую с общей) мощность и требуют повышенной стабильности высоковольтного напряжения питания, на первый взгляд представляется рациональным реализовать соответствующий источник питания в виде отдельного преобразователя. Но при реализации малогабаритных инверторов с высоким выходным напряжением для скважинных приборов с внутренним диаметром ~ 32 мм размеры соответствующих трансформаторов лимитируются толщиной требуемых изоляций и выводов, а не величиной трансформируемой мощности, т.е. объем магнитопровода, на перемагничивание которого тратится соответствующая мощность потерь, оказывается неоптимальным (избыточным). Получение всех требуемых напряжений на выходах одного трансформатора также оказывается неэффективным из-за трудности реализации большого числа выводов из малогабаритных катушек и обеспечения удовлетворительной магнитной связи между большим количеством обмоток.

Поэтому авторами признана целесообразной реализация БПР в регистрирующей части СП на основе одного инвертора, выполненного в виде параллельного резонансного автогенератора, сходного с используемым в БПУ и обладающего всеми перечисленными выше положительными свойствами, на выходе которого вырабатывается высокое напряжение питания детекторов и биполярное напряжение ~ 15 В для питания аналоговой части регистрации (см. рисунок). Это биполярное напряжение может быть использовано как первичное для бестрансформаторного преобразования в требуемое количество и номиналы низких напряжений непосредственно на платах блока телеметрии ТМ. Ассортимент соответствующих технических решений и микросхем для их реализации непрерывно увеличивается [5], а оптимальное воплощение маломощных низковольтных стабилизированных преобразователей без гальванической развязки в скважинной аппаратуре, видимо, не имеет особенностей.

Непосредственное отношение к СП имеет силовой элемент выходного каскада, передающего в каротажный кабель информационные импульсы последовательного двоичного кода ТМ. Этот элемент выполнен в виде последовательно соединенных рвущего ключа, дросселя и первичной обмотки формирующего трансформатора, вторичная обмотка которого зашунтирована конденсатором и резистором.

Дроссель и приведенная к первичной обмотке величина емкости конденсатора образуют колебательный контур, а резистор – затухание в этом контуре и, следовательно, форму информационных импульсов. Коммутация ключевого транзистора по аналогии с квазирезонансным преобразователем соответствующей структуры [7], осуществляется при нулевом токе.

Описанная структурная схема системы питания скважинного прибора ИНК реализована в аппаратуре АИНК-43 и АИНК-60, выпускаемой ВНИИА, и может быть при соответствующем совершенствовании взята за основу при разработке СП новых типов.

Литература

  1. Алексанян А.А., Бальян Р.Х., Сиверс М.А.,Томашевич С.В., Уткин М.А. Мощные транзисторные устройства повышенной частоты. – Л.: Энегоатомиздат, 1989.
  2. Булатов О.Г., Иванов В.С., Панфилов Д.И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. - М.: Радио и связь, 1986.
  3. Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА. – М.: Радио и связь, 1981.С.95.
  4. Козырев В.Г. и др. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. - М.: Радио и связь, 1985.
  5. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М.: Додэка, 2000.
  6. Бассет Дж. Импульсные источники питания: тенденции развития. – М.:Электроника т.61, № 1, 1988, с.72-77.
  7. Ли Ф.К. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи. – М.: ТИИЭР, т.76, № 4, 1988, с.83-97.

УДК 621.398.4 : 621.398.67

СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ АППАРАТУРЫ ИНК
С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ СИГНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ

В. Ю. Корнеев, И. А, Титов, М.В. Шипунов

В статье рассмотрены задачи, решаемые с помощью сигнального процессора в аппаратуре ИНК. Предложен метод повышения его производительности.

В связи с интенсивным развитием аппаратуры цифровой обработки сигналов в последнее время появилась возможность построения скважинных приборов на базе цифровых сигнальных процессоров (DSP).

Высокая производительность DSP (рис. 1) обеспечивается возможностью исполнения процессором нескольких команд одновременно и периферийными устройствами, не требующими постоянного участия в своей работе процессорного ядра.

Риc. 1. Структурная схема DSP

DSP состоит из следующих основных блоков:

  • блока вычислителей, обеспечивающего исполнение арифметических и логических команд;
  • ОЗУ программ для хранения текста программы и необходимых для вычислений констант. Наличие такого блока позволяет загружать программу в DSP каждый раз после включения питания;
  • ОЗУ данных для хранения обрабатываемых данных;
  • блока интерфейса памяти, позволяющего подключить к процессору внешнее ОЗУ или ПЗУ. Во внешнем ПЗУ может быть размещена программа, обеспечивающая загрузку ОЗУ программ из внешнего источника. Такая схема загрузки DSP полезна в случае необходимости изменения алгоритма работы системы без доступа к аппаратуре;
  • блока генераторов адресов, обеспечивающего доступ к ОЗУ данных и ОЗУ программ;
  • блока периферийных устройств, состоящего из таймеров, последовательных портов и т. д.

Обладая малыми габаритными размерами и энергопотреблением, DSP имеют достаточную производительность для решения следующих задач в аппаратуре ИНК:

  • оцифровки и записи в ОЗУ сигнала с детектора нейтронов. Фактически в ОЗУ данных хранится “осциллограмма” сигнала с детектора нейтронов. Так как увеличение частоты дискретизации требует увеличения объёма ОЗУ (при сохранении постоянного временного интервала оцифровки сигнала), это обстоятельство накладывает ощутимые ограничения на тип выбираемого процессора;
  • обработки записанного в ОЗУ сигнала, позволяющей реализовать различные алгоритмы фильтрации, коррекции нелинейностей детекторов.
  • двусторонней связи с наземной аппаратурой через модем, которая позволяет:
  • загрузить программное обеспечение по каротажному кабелю. Такой подход даёт возможность оперативно изменять алгоритм работы программы без доступа к аппаратуре скважинного прибора;

- передать осциллограммы сигнала с детектора нейтронов в наземную аппаратуру;

- передать результаты обработки осциллограммы;

- принять команды управления режимами работы скважинного прибора.

По результатам анализа отклика детектора, полученного осциллографом TDS220, на единичный нейтрон (рис. 2) были выбраны следующие параметры оцифровки сигнала:

  • частота дискретизации 10 МГц;
  • разрядность 8 бит.

 Осциллограмма отклика детектора на единичный нейтрон При выборе-2

Рис. 2. Осциллограмма отклика детектора на единичный нейтрон

При выборе процессора учитывались следующие требования:

  • максимальный объём ОЗУ данных;
  • максимальная производительность при минимальной тактовой частоте;
  • минимальная потребляемая мощность;
  • наличие последовательного порта и таймера;
  • питание от источника +5 В.

Возможен выбор между двумя классами процессоров:DSP c “фиксированной точкой” и DSP с “плавающей точкой”. Наиболее полно удовлетворяют изложенным выше требованиям процессоры с “плавающей точкой”. Однако их применение затрудняется большой рассеиваемой мощностью, высокой стоимостью как самих приборов, так и отладочных средств. Разумный компромисс представляют собой процессоры с “фиксированной точкой”, при этом потеря объёма ОЗУ данных и производительности может быть компенсирована оптимизацией программы и хранением данных в упакованном виде.

Для проведения работы был выбран процессор ADSP 2181 фирмы Analog Devices, имеющий следующие параметры:

  • время исполнения инструкции 25 нс;
  • ОЗУ программ 16 К слов (24 разряда);
  • ОЗУ данных 16 К слов (16 разрядов);
  • таймер 1;
  • последовательные порты 2;
  • возможность подключения внешней статической памяти.

Из опыта эксплуатации аппаратуры ИНК известно, что время оцифровки может быть ограничено 2 мс после срабатывания генератора нейтронов. Следовательно, при записи одного слова, полученного с АЦП, в одну ячейку памяти требуется 20 К слов. Данный вариант не реализуем, так как необходимый объём памяти больше доступного. Эффективным средством экономии памяти является упаковка двух слов с АЦП в одно 16-ти разрядное слово DSP. Можно выделить три варианта решения задачи:

  • программная упаковка требует нескольких команд и не позволяет обеспечить частоту дискретизации 10 МГц;
  • аппаратная упаковка удовлетворяет требованиям к производительности, но усложняет схему прибора;
  • программно-аппаратная упаковка удовлетворяет требованиям к производительности и усложняет схему в меньшей степени.

Возможная структурная схема такого устройства представлена на рис 3.

Рис. 3. Структурная схема “упаковщика”

Устройство работает следующим образом:

ax0 = io(adc)

При выполнении этой команды на выводе RD DSP появляется низкий логический уровень, который запускает процесс n-го преобразования в АЦП. Через промежуток времени, равный длительности исполнения команды, вывод RD переходит в единичное состояние. Одновременно с этим, результат n-1-го измерения с шины данных АЦП защелкивается в регистре.

nop

На выходе АЦП появляется результат n-го измерения.

ax0 = io(adc)

Вывод RD DSP переходит в низкий логический уровень, который запускает процесс n+1-го преобразования в АЦП. Через промежуток времени, равный длительности исполнения команды, вывод RD переходит в единичное состояние. Одновременно с этим, результат n-го измерения с шины данных АЦП защелкивается в регистре.

dm(i0,m0) = ax0

На выходе АЦП выдается результат n+1-го измерения. На выводе RD DSP появляется низкий логический уровень, который запускает процесс n+2 преобразования в АЦП. Результат n-го преобразования с выхода регистра и результат n+1-го преобразования с выхода АЦП записывается в ОЗУ данных DSP по адресу, содержащемуся в регистре i0. Значение в регистре i0 автоматически увеличивается на единицу. Через промежуток времени, равный длительности исполнения команды, вывод RD переходит в единичное состояние. Одновременно с этим, результат n+1-го измерения с шины данных АЦП защелкивается в регистре.

Выполняя данную последовательность команд необходимое число раз, мы получаем в ОЗУ данных упакованную “осциллограмму” сигнала с детектора, занимающую n/2 ячеек памяти DSP. При дальнейшей обработке потребуются дополнительные затраты времени на распаковку, однако этот процесс требует меньших затрат производительности и может быть выполнен программно.

Применение DSP позволило создать “инструмент”, не только решающий перечисленные выше задачи, но и дающий “осциллограммы” сигналов с высоким разрешением (от различных детекторов), а так же облегчающий создание и отладку алгоритмов их обработки.

УДК 539.1.074.8

Технологический прибор для контроля содержания калия

в минеральных удобрениях

В.Д. Александров, Л.А. Корытко, к.ф.-м.н., А.М. Полищук, Ю.Г. Полканов

В статье рассмотрен подход к решению задачи оперативного технологического контроля качества продукции по содержанию калия при производстве минеральных удобрений. Обсуждаются возможности применения для этой цели некоторых ядерно-физических методов анализа вещества. Предложен принцип построения технологического прибора для непрерывного автоматического контроля стабильности технологического процесса при измерениях относительного содержания калия в продукции непосредственно на ленте транспортера.

В настоящее время в связи с увеличением экспорта минеральных удобрений повышаются требования к качеству продукции, производимой российскими предприятиями. Традиционные физико-химические методы определения концентрации основных питательных элементов в минеральных удобрениях (N, Р, К) не позволяют оперативно контролировать стабильность технологического процесса из-за необходимости предварительной пробоподготовки анализов и относительно длительного времени измерения, что, естественно, отражается на качестве продукции по содержанию компонентов. Кроме физико-химических, известен нейтронно-активационный метод анализа удобрений и сельскохозяйственной продукции на содержание N, P, K.

В 70-80-е годы в Советском Союзе и за рубежом производились полуавтоматические нейтронно-активационные установки со стационарными генераторами с энергией нейтронов 14 МэВ для решения задачи оптимизации внесения удобрений в почву и составления сбалансированных смесей кормов для животных [1, 2]. Принцип анализа основан на облучении образцов потоком нейтронов и последующей регистрации гамма-спектров наведенной активности в определенных временных интервалах после окончания облучения. Нейтроны с энергией 14 МэВ, взаимодействуя с изотопами N, P, K, приводят к образованию ряда нуклидов с характерными -линиями. В большинстве работ для анализа использовались -линии нуклидов, образующихся по реакциям:

14N(n,2n)13N (E = 0,511 МэВ, Т1/2 (период полураспада) = 9,96 мин.);

31P(n,2n)30P (E = 0,511 МэВ, Т1/2 = 2,5 мин.);

39K(n, 2n)38 K E = 2,17; 0,511МэВ, Т1/2 = 7,7 мин.

Регистрировались -спектры наведенной активности, причем измерения каждого образца состояли из двух временных интервалов с выдержкой между ними для учета излучения коротко- и долгоживущих активностей. В результате обработки полученных -спектров определяли интенсивности аналитических линий анализируемых нуклидов, по которым после соответствующей калибровки находили концентрации элементов.

Доставка образцов на позиции облучения и измерения осуществлялась пневмотранспортным устройством. В детекторах -излучения наведенной активности использовались, как правило, большие кристаллы NaI. При выходе нейтронного генератора 1010 н/с и массе образцов до 100 г точность анализа на N, P, K находилась в пределах 5-8 % отн. Недостаток рассмотренного метода анализа применительно к контролю содержания элементов в минеральных удобрениях непосредственно в технологическом цикле их производства состоит в необходимости автоматизации процесса пробоотбора и недостаточно высокой по современным требованиям точности анализа. Поэтому в дальнейшем мы остановили свой выбор на создании установки для технологического контроля важнейшего компонента минеральных удобрений – калия, который входит как в комплексные удобрительные смеси, так и в собственно калийные удобрения.

Среди возможных методов контроля перспективным представляется метод определения калия, основанный на регистрации естественной радиоактивности изотопа 40К, доля которого в природной смеси изотопов калия составляет 0,0119. При распаде испускается 12% -квантов с энергией 1,46 МэВ и 88 % -частиц с граничной энергий 1,35 МэВ. Период полураспада 40К составляет около 1,3х109 лет и, таким образом, этот изотоп всегда присутствует в калийсодержащем сырье для производства минеральных удобрений. Для контроля содержания калия возможно использование как -, так и -излучений. Каждый из этих двух вариантов регистрации излучения 40К имеет определенные достоинства и недостатки:

-излучение с энергией 1,46 МэВ обладает высокой проникающей способностью, что позволяет анализировать большие массы вещества, но при этом требуется обеспечить хорошую защиту детектора от внешнего фона и строгое соблюдение геометрических условий измерений;

-излучение обладает меньшей проникающей способностью, и информация поступает практически с небольшого поверхностного слоя, но блоки детектирования легче экранировать от внешнего фона и проще обеспечить геометрию измерений.

На этом принципе в Советском Союзе был разработан лабораторный -концентратомер ЛБК-1 для экспрессного определения в лабораторных условиях концентрации калия и его соединений в различных калийсодержащих продуктах при производстве минеральных удобрений [3]. Точность определения составляла около 1% КСl.

Однако, несмотря на развитие лабораторных ядерно-физических методов анализа минеральных удобрений, осталась проблема оперативного контроля за стабильностью технологического процесса с целью управления качеством продукции на ранних стадиях ее производства. Важным моментом в решении этой задачи является выбор метода, который позволит оперативно производить измерения непосредственно в цеховых условиях.

Наиболее целесообразно с технологической точки зрения устанавливать систему контроля у ленты транспортера, перемещающего удобрение после гранулирования. Блоки детектирования предполагается расположить над лентой транспортера. Очевидно, что для соблюдения постоянной геометрии измерений (важнейшее требование для обеспечения сопоставимости результатов измерений), слой удобрений на ленте транспортера должен разравниваться. Приемы такого разравнивания сыпучих масс известны. Простейшее устройство представляет собой планку, установленную на заданной высоте над транспортером [4]. Для решения поставленной задачи важным моментом является выбор типа детектора, удобного для установки над транспортером и в эксплуатации.

Еще раз рассмотрим два возможных варианта – использование сцинтилляционных детекторов -излучения и газоразрядных -счетчиков. Как указывалось ранее, сцинтилляционные детекторы требуют надежной защиты от внешнего фона. В производственных помещениях, где проходит транспортер, всегда имеется некоторое количество осажденной пыли удобрений, и для защиты от ее -излучения потребуется окружить детектор массивным свинцовым экраном, учитывая высокую проникающую способность этого излучения. Требование максимальной экспрессности измерений приводит к необходимости установки нескольких детекторов. Помимо этого, для исключения неопределенности геометрических условий измерения, возникающих от краев сыпучей массы, потребуется коллимация блоков детектирования, в связи с чем конструкция всего детекторного устройства с защитой и коллиматорами оказывается неоправданно громоздкой и тяжелой. Следует учесть и некоторые сложности с электроникой сцинтилляционных блоков детектирования. Как правило, транспортер проходит через неотапливаемые помещения, и температурные перепады вызывают сдвиг положения регистрируемой -линии. Для уменьшения этого сдвига требуется введение системы стабилизации усилительного тракта и сцинтилляционного детектора, что усложняет и удорожает аппаратуру.

Блоки детектирования на основе газоразрядных -счетчиков позволяют создать более простую и надежную технологическую установку. Первое их преимущество состоит в том, что из-за небольшого пробега –частиц защита от внешнего фона может быть обеспечена стальными или другими материалами небольшой толщины, полностью поглощающими -излучение.

Малая величина пробега -частиц позволяет легче обеспечить постоянство поверхностной геометрии измерений для - детекторов и простую коллимацию для выделения площади, обозреваемой детекторами, чем постоянство объема удобрения в поле зрения сцинтилляционного детектора -излучения. Используя в блоке детектирования несколько -счетчиков типа СБМ-19, можно получить приемлемую для оперативного контроля скорость счета. Важным преимуществом этих счетчиков в данной задаче является их относительно малая чувствительность к изменениям внешней температуры, что упрощает регистрирующую электронную аппаратуру. Для обеспечения среднего времени анализа (около 5 мин.) в блоке детектирования предполагается установить пять автономных кассет с пятью счетчиками СБМ-19 в каждой, включенных параллельно. В кассетах смонтированы узлы высоковольтного питания счетчиков и узлы формирования стандартного выходного сигнала. Четыре кассеты предназначены для регистрации -излучения, испускаемого контролируемой массой удобрений, пятая – для учета фона в алгоритме обработки результатов.

Ионизационные потери dE/dx энергии -частиц 40К в веществе описываются приближенной формулой [5]:

dE/dx = 0,306(Z/А)-2 ln1,16E/I МэВ/см,

где плотность;

А – атомный вес;

Z – атомный номер;

I средняя энергия возбуждения для атомных электронов;

= v/с – отношение скорости -частиц к скорости света.



Pages:     || 2 |
 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.