射孔器槍內壓力測試系統研究及試驗數據分析*

趙 鼎，祖 靜*，崔春生，張紅艷

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

射孔器槍內壓力測試系統研究及試驗數據分析*

趙 鼎1，2，祖 靜1，2*，崔春生1，2，張紅艷1，2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

槍內壓力由于測試環境的高溫、高壓、高沖擊和空間狹小，至今沒有槍內壓力測試儀器成功應用于油田，但槍內壓力相對于環空壓力對于壓力的特性反映更直接。因此，開展槍內壓力測試儀器研究很有必要。射孔器槍內環境和被測信號的特殊性對測壓儀器殼體防護及內部測試電路等具有嚴格的要求。用模擬膛壓校準系統對測試儀進行了模擬環境實驗，驗證測試儀的靈敏度和其動態特性。比較248 MPa壓力下儀器與標準傳感器所測數據可知，儀器獲取的動態壓力曲線能夠準確反映被測環境實際情況。

動態測試;槍內壓力;模擬環境試驗;測試電路;殼體防護;

射孔器槍外環空壓力不能直觀反映射孔過程，由于射孔器腔內壓力環境空間狹小，壓力更大，在爆炸的同時伴有射孔彈彈架破碎飛片的高速沖擊，測試環境更加惡劣［1］。槍內壓力信號的獲取及分析對于獲取井下爆燃載荷瞬態特性，動態響應，分析射孔壓裂的完井效果，制定合理的施工工藝都有重要的意義。通過對測試儀器進行模擬環境試驗并分析了儀器所測數據，從而驗證了儀器可靠性及靈敏度。此外，針對目前射孔器槍內壓力測試儀器殼體防護做了進一步的工作。

1 井下射孔過程壓力信號分析

1.1 射孔彈爆炸特征

槍內一體式復合射孔器是通過導爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來，目前射孔器裝彈密度一般為16彈/m，普遍使用的102射孔器，彈架直徑d為62 mm，射孔彈相位相差90°，聚能彈和導爆索使用的炸藥，一般為黑索金(RDX)、奧克托金(HMX)或太安(PETN)，通過查資料可得:國內生產的炸藥傳爆速度為7 308 m/s～8 012 m/s［2］。

射孔彈螺旋線連接示意圖如圖1所示。螺旋線公式如式(1)所示，

由式(1)得知相鄰射孔彈間導爆索長度約79 mm，在此設定RDX炸藥的傳爆速度7 900 m/s，可計算出相鄰射孔彈間引爆時間差為:

圖2所示為射孔彈剖面示意圖，A點為起爆點，B點為炸藥燃燒完點，炸藥從A點到B點的距離可以近似為40 mm，假設爆轟波的傳播速度為7 900 m/s，單發射孔彈爆炸時間約5μs，射孔彈爆炸時射孔器內壓力信號頻率接近200 kHz。一般采樣頻率取被測信號頻率10倍左右，即要測試并分辨射孔彈爆炸時射孔器內壓力快速變化過程，射孔器內部測試系統的采樣頻率應達到2 MHz。

圖1 螺旋線連接示意圖

圖2 射孔彈剖面示意圖

1.2 燃爆過程壓力信號模型

假設單發射孔彈的爆炸沖擊波為一次半正弦信號，且單次爆轟完畢產生的初始沖擊波壓力為94 MPa，以井下常用16/米射孔器為例，射孔彈爆炸產生16個半正弦的小脈沖，則射孔壓力信號可用以下函數表示:

在式中，0≤x≤160μs，w=2π×105。

壓力信號仿真波形圖如圖3所示。

對其做快速傅里葉變換［3］，可以得到其幅頻特性如圖4所示。

圖3 射孔壓力信號仿真圖

圖4 射孔壓力信號幅頻特性

從圖4中得出射孔信號頻譜較高，要想完全真實還原出該壓力信號，根據奈奎氏斯特定理，采樣頻率為被測信號最高頻率的2倍以上，實際應用中通常取被測信號頻率10倍以上。圖4中信號頻率最高可達1 MHz。

2 槍內壓力測試儀器總體設計

2.1 測試系統性能設計

射孔器槍內壓力測試系統由傳感器、信號調理電路、微處理器、電源管理電路和采樣存儲電路構成。傳感器獲取壓力信號，經調理電路，然后在CPLD芯片的控制下經AD采集并存儲到存儲器中。系統框圖如圖5所示。

圖5 信息獲取系統總體框圖

2.2 模擬信號處理電路

傳感器是測試技術的核心［4］，儀器選用的壓電傳感器，壓電傳感器的輸出是電荷信號，必須要將電荷信號轉化為可以作為AD轉換器輸入信號的電壓信號，并且模擬信號處理電路的輸出電壓信號范圍要與A/D轉換器相匹配，而且傳感器的輸出信號由于測試環境的影響會存在高頻噪聲，所以要對傳感器轉換后的電壓信號放大和濾波。因此模擬信號處理電路分為電荷放大電路和低通濾波電路兩部分。下面就電荷放大電路進行說明。

該電路如圖6所示實現的功能是將壓電傳感器輸出的電荷信號轉換為電壓信號，設計A/D轉換器輸入電壓信號的滿量程輸入為1.5 V，AD轉換器的1.5 V參考電壓由單片機提供。傳感器的滿量程輸出電壓必須小于1.5 V，我們取1.4 V。為防止射孔個過程中負壓力影響，而A/D轉換器的輸入必須是正電荷，因此引入了基準電壓VREF，抬高電壓信號，使輸出電壓信號一直保持在零點以上。負壓的壓力值很小，我們取VREF為0.15 V就能滿足要求。電容C11的作用是濾掉前置電路產生的直流分量和環境產生的部分噪聲，我們在C11的另一端連接了基準電壓，這樣電荷放大器的輸出信號就包含了基準電壓分量。基準電壓有電源管理芯片LP5996的輸出電壓分壓產生。

圖6 電荷放大電路

2.3 CPLD控制模塊

CPLD控制模塊實現的功能主要是控制AD轉換器和鐵電存儲器協調工作完成數據的采集、實現負延遲。CPLD晶振輸入為50 MHz，輸入到CLK引腳，經過CPLD數據采集控制單元處理后的時序如下圖所示，25個CLK時鐘信號為一個采樣周期，采樣頻率為2 MHz，采樣周期為0.5μs，在一個采樣周期內完成一次壓力信號的采集和存儲，CPLD經編程產生如圖7所示時序。

圖7 CPLD信號時序圖

2.4 數據采集控制單元

數據采集控制單元產生使AD和鐵電存儲器協調工作的時序和邏輯信號。在CPLD控制下A/D轉換器將模擬輸入信號轉化為數字量存儲到鐵電存儲器中，存儲的同時將數字量輸入到CPLD，作為CPLD比較觸發控制單元的輸入。壓力信號達到觸發壓力之前，壓力信號一直在鐵電存儲其中進行循環存儲，當壓力信號達到觸發壓力之后，比較觸發控制單元啟動負延遲控制單元工作，使電路系統運行一定的時間后停止采集進行低功耗狀態。等待射孔過程完成后，用上位機讀取測試儀中壓力信號。如圖8所示。

圖8 數據采集過程原理圖

2.5 射孔器內壓力測試系統殼體耐壓設計

受結構的限制，測壓系統的殼體的外徑不能大于射孔彈的直徑52 mm，這里我們確定殼體的外徑b為51 mm。內徑尺寸與電路、電源及傳感器選型有關，這里我們取內徑a為30 mm。設計18Ni馬氏體時效鋼作為殼體加工材料［5］，其相關參數如表1所示。

表1 18Ni力學性能參數表

(1)殼體的最高耐壓

高壓容器不允許產生過量塑性形變，根據所查資料，在設計時建議彈塑性界面半徑的最佳半徑［6-7］rb等于，由式(4)可以求得，在上述條件下殼體的彈性極限壓力為:

其中a為測試儀器內徑，b表示外徑，單位均為mm。

即當射孔時所產生的壓力在小于755 MPa時，殼體還處于彈性階段。可以得出:

再由式(6)得出上述條件下殼體所能要求承受的極限壓力:

滿足1 000 MPa的耐壓要求。

(2)反向屈服極限

由式(7)反向塑性變形的最大壓力為:

可知在第一次施加力產生塑性變形后，在所允許的耐壓范圍內如果再次施加壓力，殼體不會產生新的塑性變形仍處于安定狀態［8］。

2.6 防護結構的設計和改進

分析前期幾次防護結構，因為擋板平面與測試系統外殼的接觸面很窄，在受高壓過程中，產生應力集中，導致擋板和測試系統的外殼均發生比較大的變形。經過理論分析和力學計算，我們改進了測試系統的防護結構，如圖9所示。選用硬度較小的鋁材，使兩者作用過程中不會發生應力集中。同時在結構上，防護結構的外形設計成弧形，在壓力作用一開始接觸面積就比較大，避免產生應力集中。

圖9 測試系統與新防護結構裝配圖

3 模擬環境試驗及數據分析

3.1 測試系統模擬環境試驗

測試系統的模擬環境試驗采用模擬膛壓校準系統如圖10所示。火炮膛內測試環境與射孔槍內類似，均要承受高溫、高壓和高沖擊的作用，模擬膛壓校準系統給測試儀提供了一個的動態測試環境［9］，模擬膛壓校準系統主要由4部分組成，分別為模擬膛壓發生器，標準的傳感器，電荷放大器和數據處理系統。其中模擬膛壓發生器是模擬膛壓校準系統的主體，它的內部結構如圖11所示;標準傳感器均勻分布模擬膛壓發生器內的相同的受力面上。

圖10 模擬膛壓校準系統

圖11 模擬膛壓發生器內部結構圖

實驗時，在燃燒腔內裝入一定量的發射藥(火藥或炸藥)，電點火頭引爆發射藥，在燃燒腔內產生高溫和高壓，當壓力達到一定值時會沖破限壓膜片，產生一個瞬時壓力脈沖，瞬時壓力脈沖進入到模擬膛壓發生器內，作用在3個標準壓力傳感器和槍內壓力測試系統上。3個標準傳感器將采集到的壓力信號經過電荷放大器放大后傳輸給數據采集系統，數據采集系統將標準傳感器的測試數據進行處理后顯示在計算機上。槍內壓力測試儀獲取的壓力數據需要等燃燒完全完成后，從模擬膛壓發生器內取出，通過計算機上專用上位機軟件讀取。測試儀所測的數據與標準壓力測試系統所測數據進行比較，可以驗證傳感器的幅值靈敏度。

模擬膛壓發生器設計的最大可承受壓力為800 MPa，通過控制限壓膜片的厚度和裝藥量兩種方式可以獲得幅值為120 MPa～750 MPa的壓力波形。表2為某厚度限壓膜片下，隨著裝藥量的不同產生最大壓力不斷增加時信號的變化。

表2 模擬實驗壓力波形參數

將模擬膛壓發生器產生的壓力信號與射孔瞬間壓力信號進行對比分析，前者產生的壓力信號上升時間為ms級，后者壓力信號的上升時間為μs級，壓力信號的上升時間不僅是信號時域動態特性的主要指標之一，而且上升時間還可以反映信號中頻率域中信號的帶寬，上升時間越短，信號的諧波分量就多，信號的帶寬就越寬，頻譜覆蓋范圍也就大［10-11］。根據測試系統動力學理論，進行測試儀動態校準的校準裝置的激勵信號的頻譜范圍必須充分覆蓋被校測試儀的頻譜，才能將測試儀的全部模態頻率都能進行激發，得到測試儀完整的動態效應［12］。

模擬膛壓校準裝置的產生的壓力信號的頻譜不能覆蓋測試儀的所測信號的頻譜，所以不能用模擬膛壓校準系統對測試儀進行動態校準，只是用來驗證準靜態標定下的幅值靈敏度。

3.2 模擬環境試驗數據分析

測試儀在模擬膛壓校準系統下測得的標準壓力248 MPa的壓力實測曲線如圖12所示。

圖12 壓力248 MPa下測試儀的壓力實測曲線

為防止數據丟失，測試儀設定基線電壓為90 mV。經MATLAB進行處理后得到圖13壓力曲線，該曲線是減去基線值后得到的，即測試儀的壓力曲線的零點是基線電壓對應的壓力值。分析可知壓力曲線的上升時間為2.420 ms，峰值壓力為243 MPa。

圖13 壓力248 MPa下測試儀的壓力曲線

峰值之后負壓的出現是因為電荷放大電路反饋電阻不能無限大而導致電荷泄漏造成的［13-14］。

圖14為標準測試系統測得的248 MPa的壓力曲線。壓力上升時間為2.491 ms，脈寬約為23 ms。

將測試儀測得數據與在MATLAB基礎上經巴特沃斯(Butterworth)低通濾波［15］后的標準壓力曲線進行分析可知:壓力上升時間相差為0.071 ms;峰值壓力相差為5 MPa，峰值誤差為2.02%。標準壓力曲線與測試儀測得曲線在相同時間軸上顯示如圖15所示。

圖14 248 MPa的標準壓力曲線

圖15 248 MPa標準壓力曲線與測試儀測得曲線對比

4 結論

多組不同壓力下在模擬膛壓校準系統內獲取的壓力數據進行分析可知:測試儀獲取的壓力數據在峰值壓力和上升時間上能夠準確記錄膛內的壓力變化，也驗證了在準靜態標定下測試儀的靈敏度。

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Research on Pressure Measurement System in Perforating Gun and Analysis of Test Data*

ZHAO Ding1，2，ZU Jing1，2*，CUIChunsheng1，2，ZHANGHongyan1，2
(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2 Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Due to the high temperature，high pressure，high impact and a small test environment inside the perforating gun，there is no corresponding testequipment used in oil exploration，but relative to the annulus pressure，inside of the perforating gun’s pressure can better reflect the size of the pressure of the perforating，Therefore，the pressure inside the gun measurement instrument is necessary and meaningful.Due to the special internal environment of the perforating gun and themeasured signal，the appearance of shell protection of test instrument and test circuit have strict requrements.The simulation environmental testing is carried out in the simulation chamber pressure calibration system to validate the sensitivity and dynamic characteristics.Compared with themeasured data of standard sensor at 248 MPa pressure，the dynamic pressure curve which the instrument obtained can definitely reflect the actual situation.

dynamicmeasurement;perforating gun pressure;simulation environmental testing;test circuit;shell protection

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.027

TE135;TP206 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0113-06

項目來源:山西省歸國留學人員重點科研項目(2008003)

2013-06-21修改日期:2013-07-16

EEACC:7320V

趙 鼎(1987-)男，漢族，山西忻州人，中北大學碩士研究生，主要從事動態測試與智能儀器研究，nuczding@ hotmail.com;

祖 靜(1933-)，男，漢族，北京人，教授，博士生導師，研究方向為儀器科學與技術，動態測試與智能儀器等，jingzu@publicty.sx.cn。