遠(yuǎn)程壓力傳感器在線標(biāo)定儀研制與應(yīng)用

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(1. 中航工業(yè)氣動(dòng)院沈陽(yáng)金凱瑞科技有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110031；2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司數(shù)字化與信息管理部 陜西 西安 710018；3. 大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163414)

0 引 言

目前，我國(guó)各大油田抽油機(jī)井的功圖測(cè)試由過(guò)去效率低下的人工單井測(cè)試，逐漸過(guò)度到數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析與管理，大大提高了測(cè)試效率和安全性。然而，長(zhǎng)期安裝井上的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)壓力傳感器經(jīng)歷風(fēng)淋雨曬、四季溫度變化等外界因素的影響，傳感器的初值、系數(shù)等參數(shù)難免不發(fā)生漂移，造成功圖測(cè)試精度降低，保證不了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用這樣的功圖進(jìn)行分析、量油計(jì)算，勢(shì)必造成錯(cuò)誤的結(jié)果；另外，在監(jiān)控室監(jiān)測(cè)的功圖異常的井，也難以判別故障原因，因此在數(shù)字化油田建設(shè)中急需一種在線標(biāo)定儀器，在抽油機(jī)井現(xiàn)場(chǎng)即可完成壓力傳感器的檢測(cè)及標(biāo)定。基于在數(shù)字化油田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程中所暴露出的問(wèn)題，研發(fā)了遠(yuǎn)程壓力傳感器在線標(biāo)定儀。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)壓力傳感器的修正、標(biāo)定，不但可以解決數(shù)字化油田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，還可以方便地完成現(xiàn)場(chǎng)功圖、液面的測(cè)試任務(wù)。該標(biāo)定儀器主要由標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(含標(biāo)準(zhǔn)位移量)、信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)、主機(jī)、軟件等幾部分構(gòu)成。

1 工作原理

1.1 標(biāo)定工作原理

現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器安裝在懸繩器與被檢壓力傳感器之間，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試示意圖

用專用電纜將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被檢壓力傳感器相連，在主機(jī)的控制下使用標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被檢壓力傳感器進(jìn)行功圖同步測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式傳回主機(jī)，通過(guò)同步周期內(nèi)的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力和被檢壓力的數(shù)值來(lái)計(jì)算出最大誤差，通過(guò)該誤差來(lái)判斷被檢壓力傳感器是否合格，同步測(cè)試參數(shù)顯示在主機(jī)上供用戶進(jìn)行對(duì)比分析；同時(shí)主機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、回放、分析及與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、上傳等功能；同時(shí)通過(guò)回歸分析法確定被校傳感器的零點(diǎn)、線性變化情況，并給出相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)發(fā)生漂移的傳感器在不對(duì)傳感器零點(diǎn)、線性進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，可以根據(jù)在線檢測(cè)得出的分析結(jié)果對(duì)傳感器所測(cè)壓力值進(jìn)行軟件補(bǔ)償修正，從而得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。圖2是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試標(biāo)定示意圖。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試標(biāo)定示意圖

1.2 動(dòng)液面測(cè)試原理

遠(yuǎn)程壓力傳感器在線標(biāo)定儀主機(jī)配接氣動(dòng)井口發(fā)聲器，還可以完成動(dòng)液面測(cè)試功能。 利用油井內(nèi)套管氣或外接氮?dú)庾鳛槁曉?，利用壓差瞬間爆破產(chǎn)生聲波信號(hào)，聲波信號(hào)沿著油套環(huán)形空間向井下傳播，當(dāng)遇到油管接箍、音標(biāo)和液面等障礙物便產(chǎn)生反射脈沖，返回的聲脈沖由微音器接收轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，圖3是動(dòng)液面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安裝示意圖。

圖3 動(dòng)液面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安裝示意圖

主機(jī)對(duì)接收的電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、采集處理、計(jì)算得出油井動(dòng)液面數(shù)據(jù)，并完成動(dòng)液面曲線繪制及存儲(chǔ)功能，圖4是井下聲波信號(hào)傳播原理示意圖[1,2]。

圖4 聲波信號(hào)傳播原理示意圖

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求保證平面結(jié)構(gòu)因素外，整體布局越均勻、合理，其測(cè)量的精度越高。應(yīng)變彈性體是壓力測(cè)量機(jī)械形變向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，其機(jī)械形變與應(yīng)力的比例關(guān)系越趨近于線性，其測(cè)量精度越高。通過(guò)廣義胡可定律和“commcs”軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出三應(yīng)變彈性體圓周分布方式，受力中心位于三彈性體分布圓心處,圖5是標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。三點(diǎn)支撐在最大限度上滿足了彈性應(yīng)變體的實(shí)際工況受力情況[3]。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器電路設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器電路原理框圖如6所示，主要包括一個(gè)高精度的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的電源系統(tǒng)、信號(hào)放大、采集、嵌入式高速CPU處理系統(tǒng)和一個(gè)被校傳感器的I/V轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊與主機(jī)進(jìn)行通訊；由于標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器不但要求測(cè)試精度高、速度快，而且體積、重量要求都比較苛刻，所以整套系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)在滿足功率要求的前提下，都是基于貼片集成電路和電子元器件的設(shè)計(jì)，除了在積機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了適合現(xiàn)場(chǎng)的三點(diǎn)平面立柱式特有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，在電路設(shè)計(jì)方面也采用了當(dāng)今較為先進(jìn)的ARM單片機(jī)、高分辨率的A/D芯片、鐵電存儲(chǔ)及I/V轉(zhuǎn)換等技術(shù)[4，5]。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器電路原理框圖

標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器應(yīng)變體由3個(gè)彈性體構(gòu)成，在每個(gè)圓柱彈性應(yīng)變體中部位置都粘貼有4片高靈敏度應(yīng)力應(yīng)變片，由3個(gè)彈性體粘貼的應(yīng)變片連接組成惠斯通電橋。 當(dāng)有壓力作用時(shí), 彈性體在貼片處產(chǎn)生拉、壓成雙的彎曲應(yīng)力(或剪應(yīng)力), 從而使應(yīng)變片發(fā)生阻值變化,通過(guò)惠斯通電橋電路把傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)進(jìn)行處理。彈性應(yīng)變體通過(guò)電橋測(cè)量工作原理如圖7所示[6]。

實(shí)際應(yīng)用電路結(jié)合精密儀表放大器，設(shè)計(jì)有調(diào)零、補(bǔ)償及放大增益電路。供電電源由主控板提供的經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、濾波的高精密電源提供，保證了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和精度；同時(shí)傳感器上專門設(shè)計(jì)了可以方便拆卸的適合安裝被校傳感器的安裝底座，以便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)傳感器疊加更穩(wěn)定，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖7 電橋測(cè)量工作原理圖

2.3 主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)向傳感器發(fā)出測(cè)試指令，完成壓力傳感器的功圖同步測(cè)試，并同時(shí)接收測(cè)試數(shù)據(jù)，在主機(jī)上繪制出對(duì)比功圖和計(jì)算出測(cè)試結(jié)果。根據(jù)設(shè)定誤差判別出被測(cè)傳感器合格與否并進(jìn)行標(biāo)定。主機(jī)具有誤差設(shè)定、檢測(cè)對(duì)比、現(xiàn)場(chǎng)修正、功圖液面測(cè)試、存儲(chǔ)和通訊功能。為了使主機(jī)體積、重量盡可能小，攜帶方便，主機(jī)內(nèi)所有電路模塊也都采用了先進(jìn)的貼片技術(shù)設(shè)計(jì)，主機(jī)測(cè)試存儲(chǔ)的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)及標(biāo)定參數(shù)可上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理、分析、診斷。主機(jī)電路原理框圖如圖8所示。

圖8 主機(jī)電路原理框圖

3 標(biāo) 定

無(wú)線遠(yuǎn)程壓力傳感器通常是壓力0～150 kN對(duì)應(yīng)4～20 mA電流輸出型傳感器。井口RTU(Remote Terminal Unit)是針對(duì)每一口油井安裝的一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)本井壓力、位移、溫度等傳感器信號(hào)的監(jiān)測(cè)和控制，完成現(xiàn)場(chǎng)各物理量數(shù)據(jù)的采集、處理及無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸功能；也可以設(shè)定成同一個(gè)井場(chǎng)各井口RTU采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一上傳到一個(gè)總的RTU,我們稱之為匯聚RTU，統(tǒng)一完成無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。井口RTU通過(guò)設(shè)定壓力零點(diǎn)、壓力增益兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)壓力修正，如圖9所示。這兩個(gè)參數(shù)分別與壓力傳感器X0零點(diǎn)輸出電流mA值、增益系數(shù)a(kN/mA)相對(duì)應(yīng)，通過(guò)軟件修改這兩個(gè)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)壓力校準(zhǔn)修正目的，這兩個(gè)參數(shù)含義如下：

壓力零點(diǎn)： 壓力零點(diǎn)為當(dāng)壓力值為0 kN時(shí),控制器對(duì)應(yīng)的AD采集標(biāo)準(zhǔn)值，默認(rèn)值為10 000，即4 mA對(duì)應(yīng)的AD采集標(biāo)準(zhǔn)值；

壓力增益： 壓力增益(GF)含義為滿量程壓力電流輸出與零點(diǎn)壓力電流輸出值的差值,即壓力輸出的斜率;

GF=(XFull-X0)×12.5

(1)

式(1)中，GF為RTU修正傳感器界面的壓力增益；XFull為被校傳感器加載滿量程時(shí)被輸出電流值；X0為被校傳感器無(wú)加載(0 kN)輸出電流值。

圖9 RTU標(biāo)定修正傳感器界面

在線標(biāo)定儀通過(guò)同步測(cè)試一個(gè)周期的標(biāo)準(zhǔn)壓力值、被校壓力值，得到一系列的被校壓力電流輸出值與標(biāo)準(zhǔn)壓力的測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi),i=0.287,xi的單位是mA,yi的單位是kN，通過(guò)一元線性回歸分析的計(jì)算方法得到擬合直線方程：

Y=a(X-X0)

(2)

式(2)中，X0為壓力零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際電流輸出值；a為增益系數(shù)(kN/mA)。為確定回歸系數(shù)X0、a的值，采用最小二乘法，將實(shí)測(cè)值yi與xi代入公式(2)計(jì)算的離差(yi-Y)的所有點(diǎn)平方和設(shè)為函數(shù)Q，使Q達(dá)到最小值。

(3)

根據(jù)極值原理，X0、a應(yīng)滿足下列方程：

(4)

(5)

通過(guò)軟件計(jì)算，可以求出X0、a的值，確定修正壓力零點(diǎn)X0(mA)和增益系數(shù)a(kN/mA)；通過(guò)公式(2)，可以計(jì)算出滿量程壓力YFull=150kN所對(duì)應(yīng)的實(shí)際電流輸出值，即

X0=X0；XFull=X0+YFull/a

(6)

再通過(guò)RTU軟件給出的換算公式,把公式(6)代入(1)即可換算成RTU對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)壓力X0及壓力增益GF數(shù)值，在測(cè)試及查詢界面中附在零點(diǎn)值及增益之后，如圖10所示。如果需要對(duì)RTU進(jìn)行壓力修正，則在圖9 RTU修正傳感器界面中修改這兩個(gè)數(shù)值， 把主機(jī)計(jì)算修正值下載到RTU中保存即可[3]。

圖10 帶有標(biāo)定修正功能的顯示界面

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

前期在長(zhǎng)慶油田對(duì)王窯、侯南作業(yè)區(qū)30余口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)。我們選取高19-20井?dāng)?shù)據(jù)資料進(jìn)行說(shuō)明，檢測(cè)及標(biāo)定情況如下。圖11是現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被檢測(cè)傳感器功圖同步測(cè)試，紅色功圖為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器所測(cè)功圖，綠色功圖為被檢測(cè)傳感器所測(cè)功圖。表1是標(biāo)準(zhǔn)、被測(cè)壓力傳感器標(biāo)定前、標(biāo)定后所測(cè)最大、最小壓力對(duì)比數(shù)據(jù)表。最大誤差未必出現(xiàn)在最大、最小壓力值位置，只是用其說(shuō)明修正前后變化情況。

圖11 功圖同步測(cè)試

名稱最大壓力值/kN最小壓力值/kN被檢壓力傳感器(修正前)43.3225.04標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器41.9824.52被檢壓力傳感器(修正后)41.5724.06

修正前，被檢測(cè)最大誤差為0.9%,檢測(cè)結(jié)果為不合格(誤差精度設(shè)定0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn))，需對(duì)其進(jìn)行修正。

將被檢壓力傳感器與數(shù)據(jù)電纜相連，筆記本電腦與RTU相連，由標(biāo)定儀直接計(jì)算出寫給RTU的修正值，然后重新進(jìn)行檢測(cè)，圖12是經(jīng)過(guò)修正后測(cè)試的功圖。

圖12 修正后測(cè)試的功圖

修正標(biāo)定后，最大誤差0.27%,符合0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用說(shuō)明，該儀器可以滿足現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的檢測(cè)和修正功能，現(xiàn)場(chǎng)安裝、攜帶方便、操作簡(jiǎn)捷。該儀器人機(jī)界面友好，顯示直觀具體，參數(shù)齊全，符合油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的操作習(xí)慣，便于掌握。

5 結(jié) 論

在長(zhǎng)慶油田近幾年的大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果表明，該遠(yuǎn)程壓力傳感器在線標(biāo)定儀完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程壓力傳感器的在線檢測(cè)以及標(biāo)定修正的功能，而不必配備大量檢測(cè)、校準(zhǔn)儀表設(shè)備，大大降低了測(cè)試人員工作強(qiáng)度，避免了時(shí)間的浪費(fèi)，提高了工作效率，給油田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)傳感器標(biāo)定修正帶來(lái)便利。同時(shí)，在不改變現(xiàn)有測(cè)試方式的前提下，使用該在線檢測(cè)儀也可以完成現(xiàn)場(chǎng)功圖、液面的測(cè)試任務(wù)。該儀器在數(shù)字化油田建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值，已獲得國(guó)家發(fā)明專利。