潛油電泵井下溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)研究

白山+++崔景欣+++徐作為

摘 要：文章針對(duì)潛油電泵井下溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究。地面系統(tǒng)利用星點(diǎn)等勢法為井下監(jiān)測系統(tǒng)提供所需的直流電壓，并將采集到的電流信號(hào)實(shí)時(shí)處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潛油電泵井下工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。井下監(jiān)測系統(tǒng)將傳感器信號(hào)通過預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后利用鎧皮通道傳輸至地面。同時(shí)通過不同的地面系統(tǒng)供電電壓來對(duì)壓力和溫度的測量進(jìn)行切換。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)采用的供電方式簡便，信號(hào)傳輸效率高，地面數(shù)據(jù)處理電路可靠性高，其為優(yōu)化潛油電泵井下開采提供了可靠的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：潛油電泵井下溫度壓力監(jiān)測；星點(diǎn)等勢法；電流傳輸信號(hào)'

1 概述

潛油電泵井下壓力和溫度參數(shù)的監(jiān)測對(duì)提升采油技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理，保證潛油電泵持續(xù)高效穩(wěn)定的工作，具有著重要的實(shí)際價(jià)值。

2 總體方案

綜合潛油電泵的特點(diǎn)，系統(tǒng)利用星點(diǎn)等勢法為井下供電。在井上制作一個(gè)三相電抗器作為工星點(diǎn)，并且保證該電抗器的三個(gè)繞組各相的參數(shù)相同，在電抗器的對(duì)稱性足夠好的情況下，星點(diǎn)相當(dāng)于零點(diǎn)，電機(jī)繞組的中性點(diǎn)與地面電抗器的中性點(diǎn)等電勢，三相電抗器可以消除三相高電壓不平衡對(duì)系統(tǒng)造成的損害，同時(shí)在地面星點(diǎn)處疊加直流電壓，可以對(duì)井下進(jìn)行直流供電。信號(hào)傳輸通道原理如圖1所示。在潛油電泵井下工作環(huán)境下，電壓容易受到干擾，而且在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)電纜的阻抗會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)有所影響，而電流信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，因此潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用兩線制4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)利用鎧皮作為地線進(jìn)行信號(hào)傳輸通道，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，無需單獨(dú)鋪設(shè)電纜，降低成本。

潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部硬件按功能主要可分為供電電路、通道切換電路、濾波電路和數(shù)據(jù)采集電路等。如圖2所示為系統(tǒng)原理圖。地面對(duì)井下電路進(jìn)行分時(shí)供電，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；濾波單元減小交流電壓對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的危害；井下通道切換電路根據(jù)地面供電電壓不同來切換測量通路；溫度和壓力變送器輸出的電流信號(hào)分時(shí)通過電纜鎧皮傳輸至地面，并通過三相動(dòng)力電纜和鎧皮連成一個(gè)回路。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度壓力變送器選型

變送器的性能對(duì)潛油電泵井下參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)檢測精度和穩(wěn)定性有著極大的影響，對(duì)變送器的選型應(yīng)滿足工作溫度下穩(wěn)定工作，且滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。本文選用西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的CYB15壓力變送器和SBYW溫度變送器，這兩款變送器均為直流電壓供電，二線制4～20mA電流信號(hào)輸出，適合石油化工領(lǐng)域的工業(yè)檢測和控制使用。

3.2 通道切換電路

由于系統(tǒng)需要采集溫度和壓力兩個(gè)信號(hào)量，因此需要在井下設(shè)計(jì)一個(gè)通道切換電路。本系統(tǒng)采用的通道切換電路是由多通道模擬選擇開關(guān)和電壓檢測電路兩部分所組成。以電流信號(hào)作為傳輸媒介，對(duì)溫度和壓力進(jìn)行分時(shí)數(shù)據(jù)采集。如圖3所示為通道切換電路。ADG5404是一款互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬選擇開關(guān)，內(nèi)置4個(gè)單通道。并且它具有轉(zhuǎn)換時(shí)間快、小于10歐姆導(dǎo)通阻抗、工作輸入電壓范圍寬等特點(diǎn)。導(dǎo)通電阻曲線在整個(gè)模擬輸入范圍都非常平坦，可確保開關(guān)信號(hào)時(shí)擁有出色的線性度和低失真性能，完全符合本系統(tǒng)研制要求。

采用LM293芯片是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的時(shí)序時(shí)間可控，本系統(tǒng)設(shè)置切換時(shí)間為20s。在上位機(jī)程序上采用的是切斷井下供電延時(shí)1s再重新啟動(dòng)來達(dá)到消除時(shí)間累積的目的。ADG5405芯片通過加載在A0與A1端的時(shí)序信號(hào)來選通具體的導(dǎo)通端口。本系統(tǒng)應(yīng)用的是兩個(gè)參數(shù)，只需要兩路導(dǎo)通即可，所以應(yīng)用LM293作為ADG5404的時(shí)序觸發(fā)信號(hào)，在LM293的第3引腳輸出信號(hào)并連接到ADG5405的A0與A1管腳，如此便產(chǎn)生了00與11的時(shí)序信號(hào)，以此來導(dǎo)通S1與S4兩個(gè)端口，從而實(shí)現(xiàn)通道的選擇，使得溫度和壓力可以分時(shí)段切換傳輸。

3.3 濾波電路設(shè)計(jì)

潛油電泵井下監(jiān)測系統(tǒng)需要濾波器來消除變頻供電在電機(jī)星點(diǎn)中產(chǎn)生的高電壓和三相短路接地時(shí)在星點(diǎn)產(chǎn)生的極高脈沖電壓，保證裝置的長時(shí)間高效穩(wěn)定的工作。濾波電路如圖4所示。本文采用串聯(lián)電抗及并聯(lián)電容的方法來抑制高電壓和高脈沖電壓，從而有效地保護(hù)井下溫度壓力變送器。

3.4 溫度壓力采集電路設(shè)計(jì)

溫度壓力采集電路主要通過AD7705芯片和LPC2378單片機(jī)來完成。AD7705采用了Σ-Δ技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。具有兩個(gè)全差分輸入通道，可編程單極性或雙極性輸入，前端可編程增益等功能。AD7705具有高分辨率、抗噪聲、自校準(zhǔn)、低功耗等特點(diǎn)，十分適合儀表測量和工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。圖5所示為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路。

LPC2378是通過模擬的SPI通信方式以普通I/O接口與AD7705進(jìn)行連接。D1是穩(wěn)壓管，D2是肖特基二極管，其作用是為了防止電流過大將AD芯片燒壞。選擇R1、R2是為了增加采樣精度。AIN（+）為信號(hào)輸入端，AIN（-）通過+5V電壓、固定電阻R4、R5和可調(diào)電阻R3形成一個(gè)偽差分通道。通過調(diào)節(jié)R3可防止數(shù)據(jù)在輸入端和輸出端邊界時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)失真，使AD轉(zhuǎn)換的精度到達(dá)最高從而使其適應(yīng)每套系統(tǒng)下不同的電流。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，程序采用模塊化研制，具有可讀性強(qiáng)、移植性高的特點(diǎn)。潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)使用NXP公司的LPC2378，該芯片具有抗干擾性強(qiáng)、支持在線編程、低功耗、價(jià)格低等特點(diǎn)。其軟件部分主要分為兩部分，其中一部分控制井下電源信號(hào)的變化，用于數(shù)字濾波、參數(shù)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送。另一部分主要完成信號(hào)采樣、故障處理等功能。如圖6所示就是主程序的軟件流程圖。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化系統(tǒng)配置，然后開始讀取當(dāng)時(shí)的時(shí)間參數(shù)，此時(shí)單片機(jī)控制繼電器接通60V直流電，開始測量溫度參數(shù)，測量20s后，將采集到的時(shí)間和溫度參數(shù)進(jìn)行發(fā)送。然后將繼電器切換到90V直流電通道，開始測量壓力參數(shù)。再將壓力參數(shù)進(jìn)行發(fā)送。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了模擬工作試驗(yàn)。試驗(yàn)采集了大量有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析表明該系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，可以證明本文中所研究的系統(tǒng)可以在正常的工作環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且能夠保持溫度壓力測量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。所測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

6 結(jié)束語

本文對(duì)潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測的硬件主要模塊和軟件主程序做了詳細(xì)講述。結(jié)合潛油電泵的特點(diǎn)，提出采用兩線制電流信號(hào)傳輸井下數(shù)據(jù)，通過地面系統(tǒng)對(duì)井下監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行供電，通道切換電路對(duì)溫度和壓力進(jìn)行分時(shí)采集。電路調(diào)試已經(jīng)完成，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)滿足需求，并且具有較高的穩(wěn)定性和精確度，具備現(xiàn)場的試驗(yàn)條件。

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作者簡介：白山（1959-），男，教授級(jí)高工，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。

崔景欣（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其應(yīng)用。

徐作為（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制技術(shù)。