基于MSP430控制的微芯片示蹤器電路系統特點及應用

李鵬 張珩

摘 要 在鉆井工程中，掌握井內溫度和壓力數據有利于對井下故障的提前預測和合理規避，而現有溫壓檢測系統多表現不佳或仍有進步空間。為滿足在鉆井作業中對井筒溫度和壓力分布的有效檢測，本文進行基于MSP430控制的微芯片示蹤器的應用探索，從系統整體設計思路、微型化采集技術、高效電源管理技術和抗溫抗壓封裝技術四方面展開論述，以期構建科學有效的隨鉆溫壓檢測系統并生成井筒壓力和溫度分布剖面。

【關鍵詞】鉆井工程 MSP430 示蹤器 電路系統

在石油鉆井作業中，對井筒的溫度、壓力的數據測量十分重要，這兩者的數據變化直接反映井內流體和井壁的穩定性，因此，實時全面的溫壓信息能有效發現井內異常，對穩定高效進行鉆井作業有深遠意義。

現有的對井下溫度和壓力的測量方式主要包括電纜測量和隨鉆測量兩種方式。電纜測量方式主要是纜繩和鉆桿的碰撞、摩擦難以解決，且傳回數據稍有延遲，測量實時性差。隨鉆測量方式在定向鉆井中的應用十分普遍，能連續對鉆頭附近的溫度、壓力、方向角等進行測量傳輸，但測量局限于鉆頭附近，對于井筒整體溫壓數據測量難以實現。

隨著半導體領域的發展，石油工業也逐漸對微系統進行應用和延伸，國外雖對這部分早有研究和試驗，卻沒有實現工業化的應用，而國內對于此方面的研究較少。為對國內隨鉆測量的微系統技術應用提供更多參考，筆者就基于MSP430控制的微芯片示蹤器電路系統進行初步探究。

1 微芯片示蹤器系統整體框架500

1.1 示蹤器系統整體工作原理

采用示蹤器系統進行測量作業時，先由泵送裝置將示蹤器泵入井筒，隨鉆井液流體移動至鉆頭水眼進入環空，經環空回至地面。在整個循環過程中，示蹤器進行連續的測量，并將數據傳回電腦分析，電腦就數據生成井內溫壓分布圖，方便操作人員對井下狀況進行判斷，有效避免井下故障發生。

由于示蹤器在井內狹小空間及高溫高壓環境限制，示蹤器必須具備體積小、功耗低、耐高溫高壓等特點，對示蹤器的設計及制作有了更高技術要求。

1.2 系統總體電路設計

電路系統包括模擬電路板和數據采集電路板兩部分，前者主要對壓力傳感器傳出的信號進行濾波和放大，后者負責進行模/數轉換和數據操作。考慮到體積、功耗和溫壓耐度對總體電路框架設計如下（見圖1）。

在整體電路框架中：EPB壓力傳感器輸出的是模擬信號，信號幅值小，不能直接進行轉換，因此需將接收到的壓力信號進行過濾和放大，傳輸給采集電路；溫度信號通過LM75溫度傳感器與采集電路進行數據交換；采集電路控制器采用MSP430微控制器，數據存儲在自帶的FLASH存儲器內；微控制器支持有線傳輸；整個電路由電池進行供電。

2 相關技術支持

2.1 系統微型化采集技術

微芯片示蹤采集系統主要包括壓力傳感器單元、溫度傳感器單元、微處理器單元和通訊接口四部分。其中，壓力傳感器單元是一個壓阻式壓力傳感器，負責壓力信息采集；溫度傳感器類似，負責井內溫度信息采集；低功耗MSP430微處理器進行數據處理并存儲；通過通訊接口進行實時數據獲取及操作。

在溫度、壓力傳感器方面，傳感器的性能決定了數據測量的精度，因此傳感器的選取十分重要。對于溫度傳感器，由于集成電路溫度傳感器測量溫度環境可達150℃，符合常規鉆井要求，因此采用集成電路溫度傳感器。對于壓力傳感器，采用擴散硅壓力傳感器，因其具備靈敏度高、耐腐蝕、抗高壓且工作領域寬的特性。

同時，為準確測量井內溫度、壓強的時間信息，需要啟用MSP430微處理器內的RTC組件，實現時間日歷的功能。另外，關于數據存儲，將溫度、壓力數據存儲進FLASH存儲器內，并加入時間標簽，結合時深轉換，可生成井內溫壓分布剖面。

2.2 系統高效電源管理技術

進行電源高效管理，主要可通過以下三種方式實現：

2.2.1 斷續供電方式

整個電路系統采用電池供電實際電力十分有限，解決方式除了采用低功耗的傳感器和處理器外，同時可采用斷續供電的模式。斷續供電方式具體實施時機制是，在每個兩秒的前200毫秒里，閉合開關使傳感器工作，其他時間傳感器不工作，由于井內流體速度大約是1/m左右，傳感器實際采集的就是每兩米一次的抽樣，仍能客觀有效的反映井內溫壓變化。

2.2.2 休眠喚醒機制

微處理器在休眠狀態，切斷外部電源供應，只給時鐘模塊供電，這種模式極其省電，常規狀態下可維持幾十年。這樣，示蹤器泵入井內可進入休眠狀態，待到使用時由外部信號喚醒，進行工作。

2.2.3 軟件控制方式

采集系統需要完成信息采集、存儲、發送和時間計數等功能，多任務實時性高，因而需要軟件控制編排。具體實施方式為：計數器每一秒中斷一次，計數值加一，數據采集執行，當計數器累計達到兩秒時，將會切斷數據采集，中斷響應中應完成數據采集和存儲，并切斷溫度、壓力傳感器工作。另外，在計數器中斷響應中設置了對外輸入信號的判斷，當接收到外部輸入信號時，所有數據通過串口發出，以此保證FLASH存儲器中數據的實時快速下載。

2.3 系統抗溫抗壓封裝技術

微芯片示蹤器要在高溫、高壓、腐蝕環境中工作，需要對示蹤器進行外部保護套，即需要封裝技術。封裝的目的是為了保護內部部件不受液體浸濕、腐蝕，排除內壓載荷干擾，營造良好的精度測量環境。

封裝材料包括金屬材料和非金屬材料兩類。以不銹鋼、鋁合金為代表的金屬材料具有抗壓、耐溫、耐腐蝕、強度高等優點，加工簡便、可自由拆卸但密度大；反觀非金屬材料，在溫壓、腐蝕、強度方面也具有良好表現力，但材料固化后不可拆卸。

因此在示蹤器封裝問題上，應將兩種材料相結合，各取所長，在實際實驗中探求良好解決方案。

3 結論

采用基于MSP430的微芯片示蹤器電路系統，使得電路微型化和低耗能并精確進行井筒溫度、壓力測量成為可能，且在初步檢測中表現良好。但在具有可行性的基礎上，仍需更多探索如封裝材料選取、設備構造布置、實踐性檢驗等。

參考文獻

[1]朱祖揚，張衛，倪衛寧，李三國，李繼博.基于MSP430的微芯片示蹤器電路系統[J].儀表技術與傳感器，2013，06：40-42+48.

[2]朱祖揚，李光泉，張衛，李三國，倪衛寧.井筒微芯片示蹤器研制[J].石油鉆探技術，2013，05：111-114.

作者單位

1.西藏民族大學信息工程學院 陜西咸陽 712082

2.國網西安供電公司建設部 陜西西安 710032