煤層氣井煤粉濃度井下測量模塊的設計

陳家林，向　威

(武漢工程大學電氣信息學院　湖北　武漢　430205)

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·開發設計·

煤層氣井煤粉濃度井下測量模塊的設計

陳家林，向威

(武漢工程大學電氣信息學院湖北武漢430205)

摘要：為實現對煤粉濃度的實時監控，設計了一種具備周期性準確檢測煤粉濃度功能，同時將采集數據上傳至地面控制平臺的井下煤粉濃度測量裝置。井下測量裝置選用微控制器STM32F103作為控制平臺，通過采集傳感器數據，反饋控制傳感器驅動電路，實現傳感器模塊的多檔位控制。同時設計反饋溫度補償電路，實現煤粉濃度的準確測量，從而實現地面控制終端或者遠程終端對井下測量模塊的參數設置以及測量數據的實時讀取。通過煤粉精度測量實驗得到檢測值與實際煤粉濃度值的誤差低于0.5×10-2，滿足了設計要求。

關鍵詞：煤粉濃度;反饋控制;溫度補償

0引言

在煤層氣水平井開采過程中，煤層氣絕大部分以吸附的方式存儲在碳基質中，需要降低儲藏壓力才能使煤層氣解吸[1]。通過排放煤層水，控制井下壓力，實現氣體的開采。在排采過程中煤粉顆粒會隨著煤層氣、水進入生產直井井筒，據統計當煤粉濃度小于1%，生產井安全；煤粉濃度1%～3%，生產井存在卡泵危險；煤粉濃度高于3%，生產井卡泵危險性高[2]。所以在井下的排采過程中，對煤粉濃度的實時監測顯得十分重要。

煤層氣煤粉濃度測量系統由井下測量模塊、地面終端、數據傳輸單元和遠程控制終端構成，井下測量模塊是整個系統的底層，主要實現井下煤粉濃度的測量，同時將測量的數據經串口通信傳送至地面終端，地面終端是遠程終端與井下底層設備的通信樞紐，通過數據傳輸單元(Transfer Data Unit，以下簡稱DTU)實現數據交互，數據在遠程終端進行存儲分析。煤層氣煤粉濃度的準確測量是實現系統穩定工作的關鍵，因此需要設計一套便于安裝使用的井下測量模塊以滿足現場需要。

1井下測量模塊的系統結構與硬件電路

井下測量模塊系統結構組成如圖1所示。

圖1　井下測量模塊系統框架圖

井下測量模塊的核心控制器為STM32F103。STM32F103系列是意法半導體設計的使用ARM Coretex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器的微型控制器[3]。STM32F103能適應于-40℃～+105℃的溫度范圍，能滿足一般煤層氣井井下30℃～60℃溫度范圍。

傳感器驅動電路是由控制器控制的模擬開關電路，模擬開關使用單8通道數字控制模擬電子開關CD4051，CD4051有A、B和C三個二進制控制輸入端及INH共4個輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。通過開關選擇合適匹配阻抗，實現傳感器驅動電流的控制。傳感器驅動電路如圖2所示。

圖2　傳感器驅動電路

傳感器驅動電路輸出電壓如方程(1)所示，其中RL表示模擬開關輸出端電阻，RON表示CD4051的漏源阻抗，R1如圖2所示。漏源阻抗RON會隨溫度而變化，引起輸出電壓U1的誤差，在井下溫度范圍內，RON典型值為470 Ω，最大值是1 050 Ω，選定合適的RL和R1阻值大小，輸出電壓誤差低于1%，可以滿足設計需求。

(1)

傳感器模塊主要由頻率匹配的紅外發射、接受光電管和運放組成，紅外對管DS1與運放UC1構成閉路電路，紅外對管DS2開路測量煤粉濃度。由于紅外發射管的電流驅動特性，在外界溫度一定的條件下，驅動電流決定發射管的光通量大小。井下煤粉濃度測定范圍在0～3%之間，驅動電流過高，測量低濃度煤粉溶液精度較差；驅動電流過低，測量相對高的濃度煤粉溶液誤差較高，傳感器驅動電路能實現驅動電流的多檔位選擇，滿足煤粉濃度測量精度要求。

在驅動電流不變的條件下，外界溫度的變化會影響紅外發射管的工作特性，紅外對管DS1和運放U1C構成的閉路電路實現驅動電流的恒流補償，采用反饋式溫度補償法[4]能取得很好的溫度補償效果，傳感器模塊電路如圖3所示。

圖3　傳感器模塊電路

2井下測量模塊軟件設計

井下測量模塊軟件系統由多個任務組成，如圖4所示。

圖4　系統任務框圖

各任務實現功能如下:

1)采樣周期設置任務：通過STM32F103芯片內置的嘀嗒定時器配置采樣周期，使用Systick()中斷實現定時采樣任務。

2)Modbus從站通信任務：Modbus通信總是由主站發起。從站沒有收到來自主站的請求時，不會發送數據[5]。通過設計Modbus讀寫寄存器任務，實現主站與從站(井下測量模塊)的通信功能。

3)傳感器模擬信號采樣任務：該任務執行采樣信號保存運算子任務和反饋控制傳感器驅動子任務。通過ADC1通道，對紅外接收管的電信號進行模擬信號至數字信號的轉換，采集信號保存運算任務將采集值代入電壓-煤粉濃度運算多項式得到相應的煤粉濃度大小；反饋控制傳感器驅動任務通過查詢AD采樣的信號大小，控制傳感器驅動電路輸出電流檔位，保證不同濃度煤粉溶液的測量精度。井下測量模塊采樣流程如圖5所示。

圖5　采樣流程圖

3實驗結果及分析

為了驗證井下測量模塊測量煤粉濃度的準確性，調配濃度為0～4%的煤粉溶液，通過C#編寫的井下測量模塊上位機軟件讀取接收管負載端電壓以及運算處理后的煤粉濃度，檢驗煤粉濃度測量準確性。井下測量模塊上位機軟件顯示界面如圖6所示。

煤粉濃度測量精度實驗對五組煤粉溶液進行了檢測，上位機讀取數據見表1。煤粉樣品實際濃度和煤粉濃度計算誤差小于，滿足測量精度要求。

4結語

筆者設計的煤粉濃度井下測量模塊通過采集傳感器數據，反饋調制傳感器驅動電路，實現了傳感器模塊的多檔位控制，保證了采集信號的準確性。傳感器模塊利用溫度補償技術能保證測量裝置適應于井下復雜的溫度環境。通過遠程終端設置井下測量模塊采集周期，同時實時讀取測量濃度，能夠滿足煤層氣氣井煤粉濃度測量系統對底層數據采集的基本要求，達到了設計的目的。

圖6　上位機界面

樣品編號煤粉樣品濃度/%傳感器采樣電壓/V煤粉濃度計算值/%示值相對誤差/%10.39263.42690.39190.178320.65913.12600.65830.121431.36502.23531.36440.044042.73561.22652.73490.255653.53550.95233.53470.2260

參 考 文 獻

[1] 葉建平. 中國煤層氣勘探開發進展綜述[J].地質通報,2006,25(9):1074-1078.

[2] 劉升貴,賀小黑,李惠芳,等. 煤層氣水平井煤粉產生機理及控制措施[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2011,30(4):508-512.

[3] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008：10-13.

[4] 朱燦焰. 光電隔離電路中的溫度補償方法[J].電子技術(上海),1997,24(12):25-28.

[5] 華镕. 從Modbus到透明就緒[M].北京:機械工業出版社,2009:34-81.

Design of Pulverized Coal Concentration of Coalbed Methane Down-hole Measurement Module

CHEN Jia lin , XIANG Wei

(CollegeofElectricalInformationofWuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Abstract：To achieve real time monitoring of pulverized coal concentration，a down-hole pulverized coal concentration measurement equipment with the function of detecting periodically is designed, which can upload the collected data to the ground terminal. The microcontroller STM32F103 was selected as the control platform in the equipment. The collected sensor data is sent to control drive circuit of sensor to realize multi-position control of the sensor-integrated module. A temperature feedback compensation circuit is designed to achieve the accurate measurement of pulverized coal concentration and an real-time data reading of ground terminal or remote terminal to parameter settings of down-hole detecting module. The test result shows that the relative error between the detection value of pulverized coal precision measurement experiment and practically pulverized coal concentration is below 0.5×10-2, which meet the design requirement.

Key words：pulverized coal concentration; feedback control; temperature compensation

(收稿日期：2015-10-10編輯：韓德林)

中圖法分類號：TP273.5

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0004-03

第一作者簡介：陳家林， 男，1962年生，副教授，1982年畢業于武漢理工大學物理專業，現在武漢工程大學從事教學及科研工作。E-mail：cjltch@163.com