Высокочастотные преобразователи для приборов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) в нефтегазовой отрасли
- 1. Высокочастотные преобразователи для приборов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) в нефтегазовой отрасли Доклад представлен на кафедре промышленной электроники Киевского Политехнического Института 5 Июня 2013 года Алексей Тышко Principal Electrical Engineer PetroMar Technologies Pennsylvania, USA Киев 2013 1
- 2. Высокочастотные преобразователи для ЯМР приборов Содержание • Кому это нужно • Как работает ЯМР • Технические требования • Возможные решения • Основные проблемы • Предлагаемые решения Киев 2013 2
- 3. Высокочастотные преобразователи для ЯМР приборов Ископаемое горючее все еще является основой современной цивилизации обеспечивая ее потребности в электрической энергии, транспорте, металлургии и химии. Так называемая “зеленая энергетика“ пока не может заменить по надежности, доступности и энергоемкости газ, нефть и уголь. Мировое производство нефти и газа в 2012 году примерно ~$4.37T по сравнению, например, с $3.03T в 2007 году. Дневная добыча >75000 бочек. Компании, занятые в разведке и добыче нефти и газа, так называемые “energy service companies” в основном находятся в США с главными оффисами в Хьюстон, Техас. Эти компании являются основными игроками рынка и основными потребителями самих передовых методов разведки месторождений нефти и газа. Точность и скорость зондирования являются решающими параметрами особенно когда сутки доступа к скважине могут стоить например $1M на глубоководной платформе (Discovery - $630M). Киев 2013 3 Company Revenue $M Employees Headquarter location Schlumberger 39669 113000 Houston,US Halliburton 24829 68000 Houston,US Baker Hughes 19831 57000 Houston,US Три кита енергетического рынка
- 4. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 4 Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 2009 Солнечная энергетика – конкурент в будущем
- 5. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 5 Мощь солнца – тест 19-4-1989,, 105 гелиостатов сконцентрировали 2.5МВт на 12мм алюминиевой пластине, через 23 сек получилаось проплавление. Снимок 1-6-2009, Sandia National Lab, Albuquerque, New Mexico Солнечная энергетика – конкурент в будущем
- 6. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 6 Приемник излучения солнечной электростанции, максимальная тепловая мощность 4,5МВт, циркулирует расплав солей 288С – 586С. Солнечная энергетика – конкурент в будущем
- 7. Высокочастотные преобразователи для ЯМР приборов Киев 2013 7 Очень красивое решение Stirling Energy Systems Преимущества - работает • Солнечный концентратор • Стирлинг + генератор • Не нужно воды, расплаленных солей, турбин • Может работать в пустыне • Модульная конструкция по 25кВт • Можно набрать любую мощность Недостатки – не работает • Ночью • Хоть какое-то облачко на небе • Начинает работать через час после восхода солнца • Компания обанкротилась в 2011 Солнечная энергетика – конкурент в будущем
- 8. Высокочастотные преобразователи для ЯМР приборов Киев 2013 8 Ветровая энергетика • Единичная мощность до 5МВт • Может работаеть ночью • Может работаеть зимой Недостаток – может не работать • Нет ветра или меньше 4м/сек • Может не работать очень долго – пример Дания, за февраль 2003 года все 6000 ветряных турбин выработали 0 кВт-часов. Энергию покупали в Германии и Норвегии Экспериментальная станция о. Утсира, Северное море, Норвегия 2006-6-19. Energex 2006, Stavanger, Norway Ветровая энергетика – конкурент в будущем
- 9. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 9 Министерство энергетики Чешской республики доложило в 2010г что их энергосистема не может принять больше 17% возобновляемых источников без потери стабильности из-за непредсказуемости оных и необходимости держать в дежурном режиме угольные электростанции или газотурбинные генераторы быстрого запуска Поэтому реально сейчас и в течение ближайших десятилетий основой мировой энергетики будут оставаться: • Уголь • Нефть • Газ • Атомная энергия • Гидроэнергетика Транспорт (нерельсовый) будет полагаться на нефть и газ – поэтому цены будут расти и потребность в передовых технологиях и толковых инженерах тоже
- 10. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 10 Распределение разведанных запасов нефти и газа по регионам
- 11. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 11 Распределение разведанных запасов нефти и газа по планете
- 12. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 12 Пример структуры месторождения нефти между соляным куполом и плотным слоем осадочных пород (Beaumont, Texas 1901)
- 13. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 13 Discoverer Enterprise Принадлежит Transocean • Длина – 255м • Водоизмещение – 103000т • Высота бурильной вышки - 127м • Колочество бурильных вышек - 2 • Максимальная длина секции трубы - 42м • Бортовая силовая установка - 40МВт • Динамическая позиционная система включает шесть тяговых винтов каждый по - 7000 лс • Максимальная рабочая глубина - 4км • Максимальная глубина бурения - 11км • Количество людей на борту - 200 • Стоимость корабля $630M • Стоимость рента в день до $1M
- 14. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 14 Для проходки скважин используются буровые головки диаметром от 100мм и выше. Причем чем глубже – тем больше диаметр. Музей г. Стафангер, Норвегия
- 15. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 15 Самая большая в мире буровая головка 90см – использовалась при проходке основного ствола на шельфовом месторождении Тролль в Северном море (Норвегия) – находится в музее г. Стафангер, Норвегия
- 16. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 16 На какие вопросы должен дать прогон зонда по скважине (запись по глубине – лог) • Есть ли нефть (газ или вода) и на какой глубине • Пористость породы – сколько нефти в кубометре породы • Можно ли откачать эту нефть (или воду) • Ожидаемая продуктивность или дебит скважины, зависящий от вязкости (легкая или тяжелая нефть) • Структура пористости – распределение пор по размерам • Температура – влияет на вязкость • Давление На основе этих данных (из нескольких скважин) делается оценка месторождения • Сколько нефти (газа) содержит месторождение • Сколько можно добыть при использовании каких технологий • Сколько нужно вложить денег в разработку этого месторождения • Какую прибыль можно получить • Связанные с разработкой технические риски • Нетехнические риски (их несколько)
- 17. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 17 Для получения лога нужны приборы (в составе зонда) обеспечивающие максимально достоверную информацию Самая достоверная информация может быть получена из образцов породы (керн). Это очень долго и дорого. Используются косвенные методы определения из которых Ядерный Магнитный Резонанс дает наиболее точные и достоверные результаты. • Определяется пористость породы с разрешением до 1% • Определяется структура – распределение пор по размерам • Определяется вязкость нефти Ищем водород!
- 18. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 18 Принципы ЯМР и приложения для оценки скважин – книга добротно написана и может служить полезным источником информации для профессионалов и любителей Aвторы: George Coates Lizhi Xiao Manfred Prammer Halliburton Energy Services, USA 1999 Можно загрузить с интернета бесплатно Ищем водород по магнитному моменту
- 19. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 19 Несколько последующих иллюстраций принципа работу ЯМР взяты из книги Манфреда Праммера – высокий слева. NUMAR Halliburton, Exton, PA, USA
- 20. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 20 И несколько других взяты из статьи Стефана Менгера – высокий справа. NUMAR Halliburton, Exton, PA, USA
- 21. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 21 Благодаря внутреннему магнитному полю ядро водорода (протон) можно представить в виде маленького магнита. В отсутствие внешнего поля протоны ориентированы хаотично. Ищем водород по магнитному моменту
- 22. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 22 При наличии внешнего магнитного поля Во протоны начинают прецессировать, выстраиваясь вдоль Во Частота прецессии fL – Ларморовская частота – определяется гиромагнитным соотношением протона и величиной Во. для водорода (протонов) 42,58МГц/Тесла 2 0B fL Ищем водород по магнитному моменту
- 23. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 23 Поляризация • Процесс массовой ориентации магнитных моментов моментов протонов вдоль внешнего поля называется поляризацией. Она приводит к появлению дополнительной компоненты общего магнитного вектора. • Против поляризации работает тепловая энергия которая разрушает порядок стремясь вернуть протоны в равновесное. хаотическое состояние • Время поляризации (релаксации) Т1 зависит от среды, температуры и других факторов. Ищем водород по магнитному моменту
- 24. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 24 Процесс поляризации. За период равный трем Т1 вектор поляризации достигает 95% предельного значения Ищем водород по магнитному моменту
- 25. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 25 Если приложить к исследуемому обьему переменное магнитное поле В1 перпендикулярно Во, протоны будут раскачиваться с частотой В1 и если эта частота совпадет с Ламоровской, резонансной, протоны будут поглощать энергию и отклоняться от Во Ищем водород по магнитному моменту
- 26. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 26 Угол отклонения – tip angle θ – зависит от величины переменного магнитного поля В1 и длительности этого импульса τ Ищем водород по магнитному моменту
- 27. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 27 После приложения 90° или PI/2 импульса начинается свободно индуцированное затухание (free induction decay) суммарного поля протонов, которое можно зарегистрировать как эхо сигнал Ищем водород по магнитному моменту
- 28. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 28 Чтобы получить эхо сигнал сначала (1) необходимо приложить 90° импульс В1, после которого начинается расфокусировка (2). В момент τ (3) импульс 180° разворачивает фазовые углы и начинает рефокусировку (4). В момент (5) через 2τ суммарный сигнал достигает максимума и может быть измерен. Ищем водород по магнитному моменту
- 29. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 29 Чтобы получить серию (echo train) ЯМР эхо импульсов используется последовательность импульсов В1 начинающуюся 90° импульсом и далее 180° импульсы В1 через равные промежутки 2τ. Ищем водород по магнитному моменту
- 30. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 30 Амплитуды затухающих эхо сигналов дают экспоненциально затухающую кривую с постоянной времени Т2 Ищем водород по магнитному моменту
- 31. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 31 Временная диаграмма измерения показывает последовательность импульсов В1 (сверху), а также кривые поляризации (T1 relaxation) и эхо сигналы в процессе измерения. Ищем водород по магнитному моменту
- 32. Так выглядит результат измерения ЯМР эхо-сигнала до обработки Напряжение в антенне при передаче -1000В, при приеме <1мкВ Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 32 Ищем водород по магнитному моменту
- 33. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 33 Время затухания Т2 зависит от размера пор: чем меньше размер тем быстрее затухает эхо сигнал. При наличии разных по размеру пор результирующая затухания состоит из набора экспонент с разными Т2 Ищем водород по магнитному моменту
- 34. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 34 Получив начальные данные по затуханию сигнала можно разложить кривую затухания на набор экспонент (процесс инверсии) аналогично преобразованию Фурье для периодического сигнала. При этом получается распределение величины эхо сигнала пропорционального количеству протонов (воды, рефти) в порах различного размера, т. е. статистическая кривая распределения размеров пор в породе. Ищем водород по магнитному моменту
- 35. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 35 Ищем водород по магнитному моменту
- 36. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 36 Ищем водород по магнитному моменту По времени затухания Т2 можно определить не только что находится там, за стенкой скважины, но и можно ли это извлечь
- 37. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 37 Ищем водород по магнитному моменту Пример лога MRIL-WD Халлибертон полученного во время бурения.
- 38. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 38 Меняя временные параметры импульсов и используя 2D представление результатов обработки эхо сигнала, можно не только определять что находится в породе – вода, нефть, газ – но и такие параметры как например это легкая или тяжелая нефть, пойдет сама или нужно будет качать. Паспорт на нефть. Ищем водород по магнитному моменту
- 39. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 39 Ищем водород по магнитному моменту Пример лога на основе данных MRIL Prime tool, Halliburton
- 40. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 40 Как заставить водород откликнуться Задача – спроектировать антенну, которая содержит сильные постоянные магниты, создающие поле Во, и электромагниты, способные генерировать ВЧ поле, перпендикулярное Во, причем в толще породы, за стенкой скважины, дабы избежать сигнала из загрязненной буровым раствором зоны. Примеры конфигурации чуствительной зоны трех разных приборов трех фирм.
- 41. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 41 Как заставить водород откликнуться Конфигурация магнитных полей и чуствительных зон для многочастотных ЯМР приборов Халлибертона и Шламберже
- 42. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 42 MRIL Prime – первый успешный на мировом рынке ЯМР прибор работающий на нескольких частотах, что позволило существенно улучшить точность измерений и увелить скорость перемещения по скважине Как заставить водород откликнуться
- 43. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 43 MRIL Prime – глубина измерения 45см для низкой и 40см для высокой частоты, что делает прибор находящийся в скважине диаметром 30см нечуствительным к промоинам меньше 5см. Как заставить водород откликнуться
- 44. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 44 Как заставить водород откликнуться
- 45. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 45 Первый в отрасли определитель жидкостей – MRILab fluid identification tool - определяющий параметры жидкости непосредственно в скважине Downhole Laboratory Analysis of Reservoir Fluid Properties, Bob Engelman, ,Ron Cherry Как заставить водород откликнуться
- 46. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 46 Технические требования к разработке силовой части ЯМР прибора (пример) • Рабочая частота 500кГц • Индуктивность антенны 1мкГ • Длительность PI/2 импульса 60мкс • Форма огибающей импульса Ханн • Точность передачи огибающей импульса 5% • Нестабильность фазы тока в антенне во время импульса <2° • Пиковый ток в антенне 310А • Потери в антенне, параллельное сопротивление 300Ω - 30Ω • Минимальный период следования импульсов 0,4мс • Напряжение питания – максимальное 600В • Напряжение питания – минимальное 400В • Сигналы управления TBD • Габаритные ограничения (внутренний диаметр трубы) 150мм • Рабочая температура окружающей среды 175С Начало разработки
- 47. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 47 Полная погрешность измерения прибора δизм Где наиболее весомыми являются погрешности связанные с • нестабильностью амплитуды выходного напряжения передатчика δп • нестабильностью коэффициента усиления в канале эхо-сигнала δс • тепловой шум в канале приема δш • затухающие остаточные колебания – звон системы δз • нестабильностью фазы тока в антенне δф Если максимальная погрешность составляет 1% от полной шкалы прибора, то вклад каждой из независимых компонент должен быть существенно меньше 0,5% Баланс погрешностей
- 48. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 48 Амплитуда эхо-сигнала имеет максимум когда первый импульс наклоняет спин ровно на 90 градусов (PI/2 pulse). Зависимость описывается косинусом угла поворота, пропорционального длительности импульса при фиксированной амплитуде. Из описания UNIQ PMR MR Resources, настольный ЯМР анализатор Передаточная характеристика ЯМР системы
- 49. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 49 Амплитуда эхо-сигнала имеет максимум когда первый импульс наклоняет спин ровно на 90 градусов (PI/2 pulse, длительность Т). Зависимость изменения величины сигнала при отклонении от оптимального угла описывается косинусом угла отклонения или нестабильности, пропорционального длительности импульса при фиксированной амплитуде или интеграла произведения тока на напряжение. Погрешность эхо-сигнала 1% 0,5% 0,2% Погрешность интеграла возбуждения 17% 12% 6% Погрешность эхо-сигнала от нестабильности передатчика
- 50. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 50 Влияние нестабильности (погрешности) амплитуды импульса тока антенны на амплитуду принимаемого эхо-сигнала Погрешность эхо-сигнала от нестабильности передатчика
- 51. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 51 Структура силовой части на основе двух мостовых преобразователей, трансформаторного модуля суммирования и выходного фильтра, подключенного к антенне ЯМР прибора Генерирование импульсов в антенне Vo
- 52. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 52 Симметричная фазосдвигающая или векторная модуляция принцип Ширекс – Догерти (Chireix – Doherty) Векторная модуляция
- 53. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 53 Напряжение на входе фильтра – результат суммирования выходного напряжения двух преобразователей постоянного тока в переменное с выходным напряжение каждого преобразователя прямоугольной формы Выходное напряжение передатчика
- 54. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 54 Выбор формы огибающей АМ Две основные формы огибающей импульсов передатчиков В1 используемые на практике в ЯМР приборах • Прямоугольная – имеет минимальную амплитуду и соответственно мощность при заданной длительности, может быть генерирована преобразователем простейшей структуры (например один мост), но в конце импульса напряжение в антенне имеет 100% амлитуду и требуется значительное время для затухания колебаний в системе перед началим измерения эхо-сигнала (например от 500В до <1мкВ) • Функция Ханна – амлитуда в два раза больше и соответственно мощность в четыре раза при заданной длительности, но в конце импульса амплитуда колебаний в антенне <1В, поэтому к моменту начала измерения уровень остаточных колебаний в антенне существенно ниже и, следовательно, точность измерения выше В приведенном выражении функция Ханна определена на участке от -0,5 периода до + 0,5 периода функции с максимумом в центре
- 55. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 55 Прямоугольный АМ сигнал и Ханна соответствующие одинаковому повороту вектора поляризации протонов для PI/2 импульса 60мкс, для рефокусирующих импульсов PI длительность в 2 раза больше при той же амплитуде Огибающие импульса передатчика
- 56. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 56 Генерирование управляющего сигнала АМ воспроизводящего функцию Ханна Функция Ханна для АМ сигнала
- 57. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 57 Два сигнала огибающей +АМ и –АМ и несущий высокочастотный сигнал на входе векторного модулятора Сигналы на входе модулятора
- 58. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 58 Формирование сигналов управления ведущим и ведомым преобразователями Модулятор
- 59. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 59 Временные диаграммы работы симметричного фазосдвигающего модулятора – принцип Ширекс - Догерти Формирование сигналов управления в модуляторе
- 60. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 60 Прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией на входе фильтра и синусоидальный сигнал после фильтра в антенне Восстановление импульсов в антенне
- 61. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 61 Ток в антенне (бирюзовый), ток передатчика (красный) и две симметричные кривые в модуляторе, определяющие огибающую Ханна Сигналы на входе антенны и в антенне
- 62. Высокочастотные преобразователи для ЯМР 62 Формы напряжения на антенне (вверху) и тока на входе антенны (внизу) для первого (PI/2) и второго (PI) импульсов в рабочей последовательности Киев 2013 PI/2 и PI импульсы в антенне
- 63. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 63 Напряжение в антенне (сверху) и ток передатчика для PI/2 импульса PI/2 импульс в антенне
- 64. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 64 Использование наиболее эффективного с точки зрения потерь в силовых компонентах ключевого режима работы выходное напряжение каждого преобразователя имеет форму близкую к прямоугольной с фронтами, крутизна которых ограничена • максимальной скоростью переключения выходных транзисторов при использовании “жесткого“ режима (hard switching mode) 𝒅𝑽 𝒅𝒕 <50V/нс • выходной емкостью каскада и величиной переключающего тока – в режиме “мягкого“ переключения (soft switching – ZVS mode) Полная мощность потерь в транзисторах содержит три компоненты • протери проводимости, пропорциональные произведению эффективного значению тока на сопротивление канала исток-сток в режиме проводимости • Динамические потери исток-сток в момент переключения • Динамические потери при перезарядке затвора
- 65. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 65 Выходной каскад одного из двух мостовых преобразователей, образующих передатчик Мостовой преобразователь – основа передатчика
- 66. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 66 Относительная амплитуда нечетных гармоник En как функция угла сдвига фаз φ при симметричной векторной модуляции. Номер гармоники и соответствующий цвет кривой – на графике Прямоугольные импульсы генерируют гармоники
- 67. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 67 В жестком режиме включение транзистора происходит при полном напряжении на стоке, при этом разряд выходной нелинейной емкости стока происходит через сам транзистор и накопленная энергия выделяется в виде тепла в полупроводниковой структуре. Для ограничения сквозного тока в момент переключения используются последовательные индуктивности. В мягком режиме обеспечивается индуктивный характер нагрузки во всем рабочем диапазоне нагрузок и перезарядка внутренних емкостей происходит внешним индуктивным током. Потери проводимости определяются всеми гармониками выходного тока. Первая – полезная - гармоника возбуждает антенный контур и рассеивается в основном сопротивлением потерь нагрузки. Величина тока каждой из высшие гармоники (n>1) практически определяются величиной напряжения соответствующей компоненты в выходном сигнале перед фильтром и импедансом фильтра для этой компоненты. Для уменьшения величины высших гармоник целесообразно увеличение индуктивности фильтра, но при этом суживается полоса пропускания фильтра что создает другие проблемы
- 68. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 68 Спектр тока в катушке антенны – который создает поле В1 (HI Q) Спектр тока в нагрузке - антенне 20db
- 69. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 69 Спектр выходного тока передатчика для нагрузки с малыми потерями Q ~100 Спектр тока на выходе передатчика- на входе антенны 20db
- 70. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 70 Спектр выходного тока передатчика для нагрузки с большими потерями Q ~10 Спектр тока на выходе передатчика- на входе антенны 20db
- 71. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 71 Снижение потерь проводимости в преобразователях Относительная суммарная мощность высших гармоник как функция угла смещения компенсации для разных величин импеданса антенного фильтра Угол, град Относительные потери 3 гарм +3db 3 гарм +0db 3 гарм -6db 3 гарм -10db
- 72. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 72 Снижение потерь проводимости в преобразователях Добавление смещенного по фазе на 60° преобразователя в каждый из двух каналов S1, S2 преобразователей передатчика (по патентной заявке)
- 73. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 73 Подавление третьей гармоники путем добавления задержанного на 60° канала в симметричном фазомодулированном передатчике Снижение потерь проводимости в преобразователях
- 74. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 74 Выходное напряжение передатчика с подавленной третьей гармоникой, часть импульса PI/2 60мкс Снижение потерь проводимости в преобразователях
- 75. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 75 Выходное напряжение передатчика с подавленной третьей гармоникой, полный импульс PI/2 60мкс Снижение потерь проводимости в преобразователях
- 76. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 76 Основная схема формирования симметричного фазомодулированного управляющего сигнала 997V (gain 160 ) and 1008V (gain 2x95) Снижение потерь проводимости в преобразователях
- 77. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 77 Спектр выходного тока с подавленной третьей гармоникой -22db -10db -14db 3H 5H 7H Снижение потерь проводимости в преобразователях
- 78. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 78 При высокой добротности антенны на падающем склоне огибающей импульса энергия запасенная в антенне частично возвращается в накопитель энергии через преобразователи – показано: ток на входе преобразователя может иметь отрицательный пик Обмен энергией между антенной и передатчиком
- 79. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 79 Потери проводимости ключевых компонентов – транзисторов – определяются сопротивлением исто-сток и среднеквадратичным током через ключ. С увеличением температуры сопротивление сток-исток полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) возрастает. К тому же сопротивление зависит от амплитуды тока, поэтому лишь с осторожным приближением можно назвать полевой транзистор линейным компонентом и соответственно применять правило независимой суперпозиции токов. Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 80. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 80 Потери проводимости транзисторов при высокой температуре Для использования транзисторов в ЯМР приборах для работы при 175С было проведено исследование задачей которого было определить как меняется сопротивление исток-сток Rdson в зависимости от температуры и тока до 200С. Как правило справочные данные дают параметры для 25С и 150С Выходные характеристики исток-сток для MOSFET IPB60R099 при 25С и 150С
- 81. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 81 Точками 1 и 2 обозначены приведенные в паспортных данных величины сопротивления исток-сток (Rdson) измеренные при 25С и 150С при фиксированных значениях тока стока. Зеленым цветом показана зона пиковых токов, в которой можно использовать разработанную модель до 185С Известна модель описывающая сопротивление исток-сток Rdson Где используется величина сопротивления сто-исток, определенная при 25С и температура Т транзистора в градусах Кельвина. Данное выражение не включает зависимость от тока, что снижает точность описания поведения транзистора при расчете максимальной температуры прибора. Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 82. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 82 Распределение величины коэффициента К в зависимости от напряжения стока Для проверки применимости известного выражения и его модификации был проведен анализ данных доступных для широкого применения транзисторов. Прежде всего была проверена зависимость коэффициента изменения сопротивления исток-сток К от максимального напряжения стока Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 83. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 83 Далее коэффициент К был сопоставлен с показателем степени P в уравнении (равным 2.3) и определены группы (по напряжению) транзисторов, к которым может быть применено это уравнение. Как видно уравнение с параметром 2,3 применимо для ограниченной группы. Для практического применения подходят транзисторы с напряжением стока 600В – 1000В, поэтому зона интереса была сужена до зеленой зоны. Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 84. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 84 Следующие шаги были основаны на предположениях общего порядка • Максимальная простота (KISS – keep it simple, stupid) и использование данных производителя – сопротивление при 25С и коэффициент 𝐑 𝐧, определяющий зависимость этого сопротивления от температуры и тока 𝐑 𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝐓, 𝐈 = 𝐑 𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝟐𝟓𝐂, 𝐈𝐭𝐞𝐬𝐭 ∗ 𝐑 𝐧 • Для комнатной температуры использовать линейную зависимость сопротивления от тока определяемую по приведенному в паспорте графику Rn = 1 + a*(M – 1) • нормированный ток M – отношение рабочего тока I к току Itest, при котором производитель тестировал сопротивление сток-исток при 25С и 150С 𝐌 = 𝐈/𝐈𝐭𝐞𝐬𝐭 • В температурную зависимость вместо параметра 2.3 использовать двухчлен включающий нормированный ток М и два параметра b и c, характеризующие конкретный транзистор. При токе равном тестовому (М=1) сумма b+c=P 𝟐. 𝟑 → 𝐛 + 𝐜 ∗ 𝐌 Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 85. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 85 Окончательное выражение для зависимости сопротивления исток-сток полевого транзистора с изолированным затвором – нормированная зависимость 𝐑 𝐧 = 𝟏 + 𝐚 𝐌 − 𝟏 ∗ 𝐓 𝟑𝟎𝟎 𝐛+𝐜𝐌 Полная версия 𝐑 𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝐓, 𝐈 = 𝐑 𝐃𝐒 𝐨𝐧,𝐭𝐞𝐬𝐭 ∗ 𝟏 + 𝐚 𝑰 𝑰 𝒕𝒆𝒔𝒕 − 𝟏 ∗ 𝐓 𝟑𝟎𝟎 𝐛+𝐜𝐈/𝐈 𝐭𝐞𝐬𝐭 Для проверки предложеннoго выражения реальностям жизни несколько групп транзисторов с предельными напряжениями 600В – 900В были тестированы в импульсном режиме при температуре от +25С до +200С. Для предотвращения влияния нагрева проходящим током использовались импульсы длительностью 10мкс при периоде следования 1с. Ток измерялся по падению напряжения на безиндукционном резисторе, напряжение сток- исток с использованием дифференциальрых усилителей. Были приняты все меры для повышения точности измерения. Каждая группа содержала по 10 транзисторов и данные измерений были усреднены. По напряжению и току рассчитывалась величина сопротивления исто-сток (Rdson). Проводилась процедура оптимизации параметров b, c по максимальной корелляции. Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 86. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 86 Нормированннй Rdson для IPW90R120 Нормированный Rdson длдя IPB60R099 Результаты по остальным группам тестированных транзисторов, их коэффициенты a, b, c и погрешности – коэффициент корреляции R и относительная погрешность 𝝈 𝒓𝒆𝒍 приведены в таблице ниже MOSFET Vdmax, V I test, A Rds(on) Ω a b c R Ϭ rel IPB60R099 600 18 0.09 0.07 2.6 0.32 0.999 0.017 STP11N80 800 5.5 0.35 0.04 2.6 0.32 0.991 0.059 SPP17N80 800 11 0.29 0.05 2.4 0.34 0.998 0.027 IXFH24N90 900 12 0.42 0.03 2.7 0.15 0.999 0.023 IPW90R120 900 26 0.12 0.08 2.7 0.35 0.999 0.025 Потери проводимости транзисторов при высокой температуре
- 87. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 87 Заключение • В докладе представлена ситуация в энергетике в общем и нефтегазовой отраслии в частности; • Показана как работают приборы на принципе ЯМР в отрасли и почему интерес к этой новой для отрасли технологии растет; • Приведены примеры примеры реализации приборов ЯМР; • Обоснованы требования к проектированию приборов; • Изложены принцип векторной модуляции и пути его реализации; • Проанализирована работа системы генерирования высокочастотного сигнала большой мощности для питания антенны; • Проведен анализ потерь проводимости для основной и высших гармоник; • Предложен метод уменьшения потерь выбором оптимальной топологии, частично подавляющей высшие гармоники; • Исследована зависимость сопротивления исток-сток мощных полевых транзисторов от величины тока и температуры за пределами стандартных паспортных данных до 200С; • Предложено эмпирическое выражение пригодное для числового моделирования потерь проводимости полевых транзисторов до +200С.
- 88. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 88 • Global Oil and Gas Exploration & Production: Market Research Report www.ibisworld.com • New deepwater drilling rigs extend search for energy, Houston Chronicle, April 9, 2010 www.chron.com/business/energy/article/New-deepwater-drilling-extend-search-for- 1711436php • Bloch, F., “Nuclear Induction,” The Physical Review, Vol. 70, 1946. • NMR Logging, Principles and Applications, George Coates, Lizhi Xiao, Manfred Prammer, Halliburton Energy Services, USA 1999 Можно загрузить с интернета бесплатно • Borehole NMR: Different Problems – Different Solutions, Stefan Menger www.liag- hannover.de/fileadmin/user_upload/dokumente/FKPE/7.workshop/FKPE2003_Menger.pdf • Energize your mind, Downhole Laboratory Analysis of Reservoir Fluid Properties Bob Engelman, Ron Cherry, Halliburton.com May 2003 • Ядерный магнитный резонанс, В.К. Воронов, Иркутский государственный технический университет, Соросовский Образовательный Журнал №10, 1996 • Реферат: Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) http://www.bestreferat.ru/referat-59808.html Литература
- 89. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 89 • Paul Wilkinson Dent. “Hybrid Chireix / Doherty Amplifiers and Methods”, Pat USA # 6,133,788, Oct. 17, 2000 • Power Electronics, Converters, Applications and Design. Mohan, Underland, Riobbins, 2003 Wiley & Sons • Высокочастотные преобразователи для приборов на основе ЯМР, работающие при повышенных температурах, А.Тышко, В.Попов, ТехнЇчна ЕлектродинамЇка, Силова ЕлектронЇка та ЕнергоефективнЇсть, Частина 2, ХаркЇв 2012 • A. Tyshko, Enhanced Transmitter and Method for Nuclear Magnetic Resonance Logging Tool, Halliburton, US Patent Application 13347008, 2012-1-10 • Ralf Locher - Introduction to Power MOSFETs and Their Applications, Application Note AN-558, National Semiconductor, 1988. • IPB60R099, IPW90R120 datasheets, Infineon. Loaded from Digi-Key site. • Design Note AN9010, K.S. Oh, Fairchild Semiconductors, 2000. • Using Simulation to Estimate MOSFET Junction Temperature in a Circuit Application, David Divins, International Rectifier, 2007. Литература
- 90. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 90 Обсуждение доклада
- 91. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 91 Обсуждение доклада
- 92. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 92 Обсуждение доклада
- 93. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 93 Добавлено 9 февраля 2015 Алексей Тышко закончил Киевский Политехнический Институт в 1972. Занимался преобразовательной и измерительной техникой. После несколькин лет работы в Spellman High Voltage Co. USA, перешел в компанию Halliburton, USA, и с 1997 года начал заниматься разработкой ЯМР приборов (преимущественно силовой электроники). В своем активе имеет: • MRIL-Prime Magnetic Resonance Image Logging Tool – вся силовая часть включая передатчик; • MRILab Magnetic Resonance Image Fluid Analyzer – вся силовая часть плюс компоновка сенсора. Патенты USA • Magnetic resonance fluid analysis apparatus and method, Patent USA US6737864, J. Bouton, P. Masak, M Prammer, E. Drack, A. Tyshko, Priority date Mar 27, 2002, issued May 18, 2004 • Magnetic resonance fluid analysis apparatus and method, Patent USA US7164267 B2, M. Prammer, J. Bouton, P. Masak, E. Drack, A. Tyshko, Priority date March 28, 2001, issued Jan 16, 2007 • Enhanced transmitter and method for nuclear magnetic resonance logging tool, A. Tyshko, Patent Application US 2013/0176140 A1, Priority Jan 10, 2012
- 94. Высокочастотные преобразователи для ЯМР Киев 2013 94 Добавлено 9 февраля 2015 Публикации по этой тематике • A.Tyshko, V. Popov, High frequency inverters for NMR tools operating at elevated temperature, Technical Electrodynamics, Special Edition, Power Electronics and Energy Efficiency, ISSN 1607-7970, Vol. 2, 2012. • A.Tyshko, V. Popov, An Estimation of the Conduction Losses for some MOSFETs at Elevated Temperature, Energy Saving, Power Engineering and Energy Audit, Special Edition, ISSN 2218-1849, Vol. 2, 2013. • A.Tyshko, Analyze MOSFET Parameter Shifts Near Maximum Temperatures, Electronic Design, 2014, http://electronicdesign.com/power/analyze-mosfet- parameter-shifts-near-maximum-operating-temperature • A. Tyshko, Multi-Vector Outphasing Provides High Power, Low Harmonics, Proceedings of IEEE 34th International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), April 15 – 18, 2014 Kyiv, Ukraine.