國產(chǎn)高溫高精度電子式壓力計的應(yīng)用研究

(秦川機床集團寶雞儀表有限公司 陜西 寶雞 721006)

前言

石油工業(yè)的發(fā)展對壓力測量提出了越來越高的要求。石油工程師需要精確的壓力資料進行油藏評價、描述和動態(tài)管理，國外許多公司很早就研發(fā)了200度以上的高溫壓力計，目前一直占據(jù)著國內(nèi)市場，但由于國外進口壓力計價格昂貴，維修服務(wù)費高，外文資料消化困難，迫使國內(nèi)廠家走上自主開發(fā)的道路。公司研制成功的高溫電子式壓力計，從技術(shù)上攻克了多個技術(shù)難題，實現(xiàn)了175℃，200℃的高溫環(huán)境下的壓力溫度測量。高端壓力溫度計的指標(biāo)完全達(dá)到甚至超過了國外的產(chǎn)品。

壓力計的創(chuàng)新點：

本項目產(chǎn)品為原始創(chuàng)新，作為高性價比的新一代高端壓力計，在核心算法、設(shè)計理念以及檢測標(biāo)定技術(shù)等方面的特色，都是通過總體控制軟件的設(shè)計與核心代碼的實現(xiàn)來完成，其主要創(chuàng)新點包括：

1、操作自動記錄，即設(shè)備的參數(shù)和時間配置等操作，均有全程自動記錄功能。在當(dāng)前國內(nèi)井下數(shù)據(jù)的采集中，電子壓力計的現(xiàn)場記錄大多數(shù)還采取傳統(tǒng)的紙筆現(xiàn)場記錄的方式。這種方式有著幾個方面的缺點。首先，人工記錄很容易導(dǎo)致錯誤，在現(xiàn)實情況下，井下環(huán)境數(shù)據(jù)包含著井下物理狀態(tài)的各個細(xì)節(jié)，并且在數(shù)據(jù)有一定的精度要求。如果靠人工記錄，很容易導(dǎo)致厭倦感或經(jīng)驗主義的產(chǎn)生。從而產(chǎn)品數(shù)據(jù)記錄錯誤。其次，人工記錄不能實時精確的記錄連續(xù)性數(shù)據(jù)，油氣井井下環(huán)境極為復(fù)雜，而且每時每刻都在動態(tài)變化，人工記錄無法記錄出井下環(huán)境在某個瞬間發(fā)生的巨大數(shù)據(jù)變化。

最后，自動記錄不僅可以使數(shù)據(jù)信息更完整，更全面，而且更適合在油氣田這種大容量數(shù)據(jù)環(huán)境下的歸檔保存。在高產(chǎn)油氣井有出砂和水堆問題時，則顯得尤為重要,通過操作自動記錄，可幫助維護人員快速分析處理采集數(shù)據(jù)，從而最快地發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而確定最佳的產(chǎn)量。極端環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

2、該壓力計能在 170℃～200℃的高溫，25000psi 的高壓下穩(wěn)定準(zhǔn)確的監(jiān)測油氣田數(shù)據(jù)，并支持高速的 USB模式，能穩(wěn)定的提供 12Mpbs 的高速 USB 通信。

3、高效濾波電路的設(shè)計和補償算法：該壓力計采用 24 位高精度 AD作為前端采集電路，還通過采用數(shù)字陷波技術(shù)和中值濾波算法，同時消除系統(tǒng)時鐘頻率和電路抖動與噪聲，大大提高前端測量的精確度和穩(wěn)定性。濾波之后采取高階多項式擬合方式，對電路的溫度依賴與非線性進行數(shù)字聯(lián)合補償，因而減輕壓力溫度交叉耦合干擾，大大降低了。

壓力計實現(xiàn)主要技術(shù)路線：本項目從硬件設(shè)計、軟件算法、通信設(shè)計和多功能界面開發(fā)三個方面尋求突破,關(guān)鍵技術(shù)包括：

1、四高電路模塊的硬件設(shè)計：高精度的電路設(shè)計是實現(xiàn)高性能壓力計的硬件基礎(chǔ)，產(chǎn)品的硬件設(shè)計基于高穩(wěn)定、可重復(fù)的壓阻式壓力傳感元件(不銹鋼波紋膜盒封裝)，并采用低噪音、低漂移設(shè)計的 24 位高精度 AD 作為前端采集電路，加上采用內(nèi)嵌的 16 位專用壓力、溫度，高速數(shù)字信號處理芯片，來對傳感器和采集電路的噪聲、溫度依賴與非線性進行濾波和數(shù)字補償，使得儀器在前端就能夠同時完成高速采樣(1 ～ 5mS)和高精度測量(0.025%FS)，這將是目前國際高端井下壓力計的最高精度水平。

2、高效的信號處理和補償算法：除了采用 24 位高精度 AD 作為前端采集電路，還通過采用數(shù)字陷波技術(shù)和中值濾波算法，同時消除系統(tǒng)時鐘頻率和電路抖動與噪聲，大大提高前端測量的精確度和穩(wěn)定性。濾波之后采取高階多項式擬合方式，對電路的溫度依賴與非線性進行數(shù)字聯(lián)合補償，因而減輕壓力溫度交叉耦合干擾，大大降低了系統(tǒng)的溫度漂移與非線性誤差，進一步提高測量的線性度與穩(wěn)定度。

設(shè)計難點：在高性能壓力計的設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集的精度和穩(wěn)定性、信號處理和數(shù)字補償算法、高速高可靠通信接口和多功能的交互式界面軟件開發(fā)等等，都將是主要設(shè)計難點。