存儲(chǔ)式高溫壓力計(jì)的設(shè)計(jì)

引言

在石油開采過程中，通過井下的溫度、壓力等傳感器獲取井下的生產(chǎn)信息，為優(yōu)化生產(chǎn)過程、科學(xué)管理油井提供參數(shù)依據(jù)叫隨著測(cè)井技術(shù)的深入發(fā)展，壓力計(jì)在油氣井井下進(jìn)行壓力測(cè)量中發(fā)揮著日益顯著的作用，得到了廣泛的應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)用于油井測(cè)量的壓力計(jì)與國(guó)外還有較大的差距，大部分市場(chǎng)被國(guó)外公司占領(lǐng)，因此，通過對(duì)測(cè)井壓力計(jì)的研究分析,研制高可靠性、高性價(jià)比的壓力計(jì)具有重要的意義和廣闊的市場(chǎng)空間。

油井壓力計(jì)的顯著特點(diǎn)之一是工作于高溫環(huán)境。加拿大金加公司的壓力計(jì)分為100°C,120°C,150。。和177°C四種工作溫度，且不同工作溫度的壓力計(jì)價(jià)格差異顯著。因此，設(shè)計(jì)適合于我國(guó)油井測(cè)量的高溫壓力計(jì)對(duì)于打破國(guó)外高溫壓力計(jì)的壟斷、降低油井測(cè)量成本具有十分重要的意義。

通過選擇高溫電子元器件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了可在150C環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的高溫壓力計(jì)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本存儲(chǔ)式高溫壓力計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該壓力計(jì)由壓力信號(hào)采集電路、溫度傳感器采集分別對(duì)油井的壓力和溫度進(jìn)行采集，采集到的溫度和壓力通過處理器處理后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器。該壓力計(jì)在完成油井的壓力、溫度測(cè)量返回地面后,將存儲(chǔ)的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心的PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示。

2壓力計(jì)硬件設(shè)計(jì)

壓力計(jì)的硬件電路包括溫度采集電路、壓力采集電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和數(shù)據(jù)傳輸電路。溫度采集電路和壓力采集電路分別實(shí)現(xiàn)油井溫度和壓力的采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)溫度、壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)傳輸電路實(shí)現(xiàn)壓力計(jì)數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)處理中心上傳數(shù)據(jù)。

2.1處理器的選擇

考慮到該壓力計(jì)工作于高溫環(huán)境，為保證壓力計(jì)可靠工作，包括CPU在內(nèi)的壓力計(jì)元件選擇必須符合SOI工藝的高溫器件叫目前能工作于150C高溫環(huán)境的CPU主要有TI公司MSP系列的16位單片機(jī)MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD^[4],Microchip公司的DSPPIC33FJ系列單片機(jī)，以及可工作于225C高溫環(huán)境的Honeywell公司的HT83C51單片機(jī)。由于壓力計(jì)的供電采用高溫電池供電，因此低功耗將是處理器選擇的重要因素之一。由于TI公司的MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD1處理器具有最低的功耗，所以本文的設(shè)計(jì)采用MSP430F2619SPM單片機(jī)作為壓力計(jì)的處理器。

2.2壓力信號(hào)采集電路

在綜合考慮油井的溫度和壓力后，選擇一種油井專用壓力傳感器，該壓力傳感器可工作于溫度一40?150°C,量程為60Mpa,精度為±0.1%FS,輸出采用2線差分輸出。由于壓力傳感器的輸出信號(hào)是毫伏級(jí)的模擬信號(hào)，所以要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后再通過處理器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其電路如圖2所示。

在圖2所示的壓力采集電路中，壓力傳感器所輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)放大后，由U7的7腳輸出，即Out2。Out2連接到單片機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的采集。

2.3溫度采集電路

DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器由于采用小體積封裝，溫度測(cè)量范圍為－55～125℃，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在高于125℃溫度環(huán)境實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的常用辦法是利用熱電偶或鉑電阻的阻抗隨溫度變化的特點(diǎn)。針對(duì)壓力計(jì)體積受限的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇ADT7310溫度傳感器。該溫度傳感器具有13位或16位可選的溫度到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍為－55～150℃，且功耗低。利用ADT7310進(jìn)行溫度測(cè)量的硬件電路如圖3所示。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

當(dāng)壓力計(jì)在井下工作時(shí)，可將測(cè)量的井下壓力和溫度存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器，在儀器返回地面后讀取。本壓力計(jì)采用Microchip公司的25LC256作為系統(tǒng)的存儲(chǔ)芯片，該芯片工作溫度為－40～150℃。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路電路圖如圖4所示。

2.5數(shù)據(jù)傳輸電路

在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用串口方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。壓力計(jì)的數(shù)據(jù)通常會(huì)在野外通過筆記本讀取，然而，大多數(shù)筆記本只支持USB接口讀取數(shù)據(jù)，因此，本文采用單芯片USB轉(zhuǎn)UART的橋接器CP2102來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸電路圖如圖5所示。

3壓力計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

壓力計(jì)軟件由壓力計(jì)部分（下位機(jī)）和地面部分（上位機(jī)）組成。為增強(qiáng)軟件的可移植性和靈活性，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件由系統(tǒng)初始化、壓力采集、溫度采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊組成。壓力采集模塊根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的采樣速率采集壓力信號(hào)；溫度采集模塊設(shè)定ADT7310傳感器的轉(zhuǎn)換精度，并讀取溫度值；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將壓力值和溫度值存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器；上傳數(shù)據(jù)模塊將壓力、溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。下位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由壓力計(jì)參數(shù)設(shè)置部分和數(shù)據(jù)讀取部分組成。參數(shù)設(shè)置部分用于設(shè)置壓力計(jì)的工作參數(shù)，采樣速率設(shè)置模塊設(shè)置壓力計(jì)的壓力和溫度的采樣速率；溫度精度設(shè)置模塊設(shè)置溫度傳感器的轉(zhuǎn)換精度；油井信息設(shè)置模塊設(shè)置油井名稱、測(cè)試深度等相關(guān)信息；日期設(shè)置信息模塊設(shè)置壓力開始采樣的日期信息。接收上傳數(shù)據(jù)模塊接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息，并將處理后的壓力、溫度數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示。上位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

4結(jié)語(yǔ)

本油井存儲(chǔ)式高溫壓力計(jì)的硬件主要基于可工作于高溫環(huán)境的高溫器件設(shè)計(jì)，可長(zhǎng)時(shí)間工作于高溫環(huán)境。該壓力計(jì)的設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、數(shù)據(jù)讀取方便等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)高溫油井下的壓力、溫度參數(shù)的采集。將該壓力計(jì)用于高溫油井的溫度、壓力測(cè)量，效果良好，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。