（机械制造及其自动化专业论文）井下工况状态监测系统研究.pdf

哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 捅要 采油机组是油田开发的重要机械采油设备，具有排量大、扬程高、地面 工艺简单、管理方便等特点，其作用就是将井下的液体抽送到地面。可广泛 应用于停喷后的高产油井、高含水井、深井及定向井中，是油田实现高产稳 产的重要手段。 采油机组测试工艺有别于测井，它是监测井下机组运行状况的传感器装 置，而不是勘探地质信息。采油机组运行状态监测对于随时了解油井的生产 动态，如地层压力和井底流动压力、分层产量、出油剖面及油层动用状况等， 并结合各种生产数据进行分析，通过分析及时掌握油井压力、产量和含水的 变化情况，采取适当的措施，制定出合理的工作制度，达到最佳的开采效果 具有重要意义。 采油机组井下监测系统目前业内最全的测试参数有入口压力、出口压力、 入口温度、电机温度、泄漏电流、振动、出口流量。本设计的采油机组井下 测试装置测量的参数包括入口压力、电机温度、入口温度、出口压力、振动 和泄漏电流，所有的变送器都被封装于安装在并下机组电机尾部的溟0 试仪内。 出口流量参数用设置在井口的流量计代替，不计入测试装置的监测参数。 本测试仪采用分时测量的方法测量井下各参数，将检测电路测量的信号 经过信号调理、a d 转换变成数字信号传送给单片机8 9 s 5 2 。单片机将采集的 数据简单处理后编码从串行口t x d 发送出去，送至井下电力载波专用芯片 x r 2 2 0 6 的输入端，由其产生f s k ( 移频键控) 信号，经载波功放后输出耦合 至井下动力电缆上。 并上测试部分采用工控机及基于w i n d o w s 的数据处理软件。井上电力接 口输出的载波信号，经过电力滤波和信号提取滤波，传送到x r 2 2 1 1 输入端。 x r 2 2 1 1 电路接收到f s k 信号后，经内部锁相、检波、滤波转换成数字信号， 再经光电藕合器隔离送至工控机处理并显示，便于操作者读取、下载和存储， 达到实时监控潜油电泵机组运行的目的。 本设计为目前国内首次进行的六参数采油机组井下测试装置设计，它比 现行的采油机组温度、压力两参数测试装置测试范围更加广泛，测试精度也 更高。对提高采油机组的可靠运行将提供更高的技术测量手段，这一产品的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成功研制填补了国内采油机组井下多元测试领域的空白。 关键词：井下工况；状态监测：电力载波；单片机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m p i n g ( e s p )s y s t e m s i n c l u d et h e d o w n h o l em u l t i s e n s o rg a u g ef o rs u b m e r s i b l ep u m pc o m p l e t i o n s t h i s g a u g em o n i t o r sd o w n h o l ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，l e a k a g ec u r r e n t ，a n d v i b r a t i o n ，p r o v i d i n gt h e a c c u r a t ed a t an e e d e dt o p r o t e c t e l e c t r i c a l s u b m e r s i b l ep u m ps y s t e mi n t e g r i t yf r o mh a r m f u lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t ok e e pb o t ht h ee s ps y s t e ma n dt h ew e l lp e r f o r m i n ga tt h e i rb e s t t h e s eu n i t sa r em a n u f a c t u r e dt or i g o r o u ss t a n d a r d sa n dq u a l i f i e df o r u s ei nh a r s he n v i r o n m e n t s b o t hm o d e l sa l l o we a c hm e a s u r e d p a r a m e t e rt ob ep r o g r a m m e dt op r o t e c tb o t ht h ee s pa n dt h ew e l l t h i s f l e x i b i l i t y e n a b l e su s e r st os e l e c tt h el e v e lo fm o n i t o r i n gm o s t a p p r o p r i a t e f o re a c he s p c o m p l e t i o n m u l t i s e n s o r g a u g e s c o m m u n i c a t ew i t ht h es u r f a c et h r o u g ht h ee s pc a b l e m u l t i s e n s o r g a u g ea r ei n s t a l l e do nt h eb a s eo ft h ed o w n h o l ee s pm o t o r m u l t i s e n s o rg a u g e ( m d t ) m e a s u r e st h ed o w n h o l ep a r a m e t e r sa t d i f f e r e n tt i m e s ，t h es i g n a l sg o t t e nw i l lb ee n l a r g e d ，t r a n s m i t t e dt ot h e a d t h e nt h e yw a r ec h a n g e df r o ma n a l o gv o l t a g et od i g i t a ls i g n a l s ， f i n a l l yt h es i n g l e sw i l lb ep u ti n t o8 9 s 5 2 8 9 s 5 2d e a l sw i t ht h es i g n a l s a n ds e n dc o m m u n i c a t i o ns i g n a lf r o mt x d t h et x ds i n g l ei s o l a t e db y t h ei s o l a t o r ，t h e ni tc o m e si n t ox r 2 2 0 6 ，w h i c hm a k e st h ee n l a r g e df s k s i g n a l ，p u to u tt ot h ep o w e rl i n e t h es u r f a c es y s t e mr e c e i v e st h ef s ks i g n a lf r o mt h ep o w e rl i n e x r 2 211w i l li o c kt h ew a v ep h a s e ，f i l t r a t e st h ew a v em o t i o n ，c h a n g e t h es i g n a li n t od i g i ts i g n a l ，p u ti ti n t oi n d u s t r yc o m p u t e r , w h i c hd e a l s w i t ht h es i g n a la n dd i s p l a yi t t h i si st h ef i r s t a t t e m p t t o d e s i g n 6 p a r a m e t e r s d o w n h o l e m o n i t o r i n gs y s t e mi n o u rc o u n t r y i ti sm o r ef a r - r a n g i n ga n dm o r e p r e c i s et h a nt h ee q u i p m e n t se x t e n s i v e l yu s e di n o u rc o u n t r yw h i c h 哈尔滨工程大学硕七学位论文 o n l ym e a s u r e sm o t o rt e m p e r a t u r ea n di n t a k et e m p e r a t u r e i tw i l lb ea n a d v a n c e dt e c h n i c a li n s t r u m e n tw h i c h g u a r a n t e e t h e h i g hw o r k i n g r e l i a b i l i t y o fe sp i tw i l lb et h ef i r s t i m p r o v i n g o fd o w n h o l e m o n i t o r i n gi no u rc o u n t r ya f t e ro u rs u c c e s s f u ld e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m d t ；e l e c t r i cp o w e rc a r r i e r ；p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ；m c u 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：20 衫年3 月z 日 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 1 1 采油机组系统概述 第1 章绪论 采油机组是油田开发的重要机械采油设备，具有排量大、扬程高、地面 工艺简单、管理方便等特点，其作用就是将井下的液体抽送到地面。可广泛 应用于停喷后的高产油井、高含水井、深并及定向井中，是油田实现高产稳 产的重要手段。据不完全统计，目前全世界原油产量的近三分之一是由各种 形式的采油机组开采的，采油机组井的数量更是数以万计。仅就大庆油田而 吉，采浊机组井数最多时占总井数1 2 万口的1 6 ，其采油量却占油田总 产量5 6 0 0 万吨的4 0 以上。可以说采油机组的技术水平从一个侧面反映了 一个国家石油生产的先进程度。 采油机组系统主要由七个部分组成，即：采油电机、电机保护器、油气分离 器( 吸入口) 、采油离，i 探、动力电缆、控审糖和变压器。采油电机、保护器、分 离器和泵各轴之间采用花键套连接，壳体之间采用法兰螺栓连接。与其配套的有 单流阀、泄油阀、井下工况状态监测装置、扶正器、井i = l 穿越器、接线盒。系统 基本组成见图1 1 。 其中井下部分按照从下到上的安装次序，主要包括采油电机、电机保护器、 油气分离器和采油离心泵；地面部分主要包括控制柜和变压器。基本工作过程为 通过变压器、控制柜和采油电缆将地面电力输送到井下的采油电机，采油电机带 动采油离心泵旋转，抬通过与离心泵连接的油管将井液输送到地面。采油机组机 组按适用于套管直径可分为适用于5 1 2 ”和7 ”以上套管的各种系列采油机组机 组。目自i 通常使用变频器调整采油机组机组的转速，采油机组机组的工频( 5 0 h z ) 转速为2 9 0 0 r r a i n ，最高转速可达到4 0 6 0 r m i n ，下并深度般在8 0 0 3 5 0 咖。在 5 0 h z 下，适用于5 1 2 ”套管机组的额定排量范围为1 5 m 3 d 7 0 0m 3 d ，扬程在 3 0 0 0 m 以下：在6 0 h z 下，机组的额定排量范围为1 8 m 3 d 8 4 0 m 3 d ，扬程在3 0 0 0 m 以下。适用于7 ”以上套管机组的额定排量范围为2 0 0 l l l 3 d 4 7 0 0 , n 3 d 。扬程在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 0 0 0 m 以下；在6 0 1 t z 频率下，机组的额定排量范围为2 4 1 柚d 、5 6 4 0 m 3 d ，扬程 在3 0 0 0 i l l 以下。机组耐温度等级分别适用于井温9 0 、1 2 0 c 、1 5 0 。由于与其 它类型的采油设备相比，产量高、管理方便，因此在国内外油田得到广泛应用。 变压器控制柜接线盒 图1 1 采油机组工作示意图 2 接头 心泵 离器 护器 机 置 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 2 采油机组井下测试装置 测井又称“井中地球物理勘探”，是物理探矿的一种方法，可分为电测 并、放射性测井、磁测井、声波测井、热测井和重力测井等。根据地质和地 球物理条件，合理地选用综合测井方法，可以详细研究钻孔地质剖面、探测 有用矿产、详细提供计算储量所必需的数据，如油层的有效厚度、孔隙度、 含油气饱和度和渗透率等，以及研究钻孔技术情况等。测井方法在石油、煤、 金属与非金属矿产及水文地质、工程地质的钻孔中，都得到广泛的应用。特 别在油气田、煤田及水文地质勘探工作中，已成为不可缺少的勘探方法之一 1 2 1 。 采油机组测试工艺有别于测井，它是监测井下机组运行状况的传感器装 置，而不是勘探地质信息。采油机组井下测试仪目前业内最全的测试参数有 入口压力、出口压力、入口温度、电机温度、泄漏电流、振动、出口流量。 随着铡控技术的发展，采油工艺的改善，采油机组井下监测技术将向着多参 数、高精度、智能化的方向发展例。 目前国内多数采用的是二参数( 温度、压力) 测试装置，从现场应用来 看，还不能满足不同用户的使用要求，只能进口多元测试装置以满足用户的 需求。由于各种方面的原因，以美国、英国为主的西方国家一直对我国实行 技术封锁，使得我国在这方面的研究进展缓慢。监测技术上的劣势使得我国 的石油开采工艺落后于西方国家，难以做到更为合理的开采，这将严重阻碍 我国石油工业的发展。鉴于目前我国石油开采的现状，研究适合我国国情的 井下工况状态监测装置对于有效的监控采油机组运行，调整工艺参数，提高 采油效率，最终做到合理地开采具有十分重要的意义。本项目就是要开发研 制国产的采油机组井下多元测试装置，取代进口，提高自主创新能力。 1 2 2 国外发展现状 目前，国际上为采油机组配套的井下工况状态监测装置产品以英国凤凰 ( p h o e n i x ) 公司的p h o e n i x 系列采油机组井下多元测试装置、美国威德福 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( w e a t h e r f o r d ) 公司的w e a t h e r f o r d 系列采油机组井下多元测试装置和英国 顶峰公司( z e n i t h ) 系歹 j 采油机组井下多元测试装置为代表。并垄断着国际 采油机组井下多元测试装置这一市场。 这些产品突出的特点是为了满足不同用户和不同油田的不同测试需求， 他们开发了多种规格的产品。测试的参数一般为2 个7 个参数，最多的测 试参数达到7 个，测试参数多，测量范围相当广泛，测试精度和分辨率都很 高，完全可以覆盖采油机组系统的井下参数测试，满足用户对各种油井生产 参数的测量和监控，起到优化生产模式、提高生产效率的作用。还可以根据 用户的需要调整测试参数，从丽达到既满足用户使用要求又适当降低测试装 置成本的目的。 可见，国外采油机组井下测试装置的发展趋势是向多元参数测试、大的 使用范围、可靠的使用性能和精度方向发展。 以下附表分别列出了这三家产品的性能参数【4 】【5 】嘲。 表1 1 英国p h o e n i x 公司井下多元测试装置参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 - 10 0 0 0 l ，s io ，l lp s i 出口压力 0 - 10 0 0 0 p s io 1 lp s i 入口温度 o 1 5 0 1 0 1 电机温度 0 - 1 5 0 1 0 ，l 出口流量0 - 3 0 0 0 0 b b g d a y 5 1 b b i d a y 振动 0 - 1 2g5 o ，0 0 1g 泄漏电流 o 2 5 m a0 0 5 lu a 表1 2美国w e a t h e r f o r d 公司井下多元测试装置参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力0 5 0 0 0 p s i 0 1 l p s i 出口压力0 5 0 0 0 r s i o 1 l p s i 入口温度 0 1 2 5 l 0 一l 电机温度 0 1 2 5 1 0 1 出口流量0 3 0 0 0 0 b b g d a y 5 1b b i d a y 振动0 - 1 0 9 1 0 0 0 1 9 泄漏电流 0 1 2 5 m a0 。0 5 i u a 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 3英国z e n i t h 公司井下多元测试装黄参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 o l0 0 0 0 p s i o 1 1p s i 出口压力 o 10 0 0 0 p s i 0 1 1p s i 入口温度0 1 5 0 1 0 1 电机温度 o 1 5 0 l o 1 出口流量 0 3 0 0 0 0 b b i d a y 5 1 b b v c l a y 振动 0 1 2g5 o 0 0 1g 泄漏电流 0 2 5 m a o 0 5 1u a 1 2 3 国内发展状况 由于国内某些电气元件的使用性能还不能满足高温、高压下的测试精度，生 产监测没有规范化，国内的井下测试装置一般都是温度和压力测试的二元参数井 下测试装曼，虽然测试精度和使用性能满足国内一些用户需求，但在国际市场竞 争中就发现了不少缺点，测试参数少、范围小、精度低、可靠性差，还不能完全 满足用户需求，同时也限制了国内采油机组厂商在国际竞争中的发展。 目l ；i 国内基本成型的产品有1 9 9 6 年哈尔滨理工大学与大庆油田合作研 究的两参数“g y w - g b l 型新型本征半导体高分子压力温度双参数传感器”，其 技术指标如下【7 1 ： 1 测量范围：o 4 0m p a 2 工作温度：0 2 0 0 3 压力灵敏度： 8 0m v m p a 4 测温范围：0 2 0 0 5 温度灵敏度： 8m v 6 精度：1 5 7 。重复性：o 2 f s 8 耐系统绝缘泄漏试验电压：5 0 0v 9 平均寿命：1 5 年 1 0 稳定性：0 5 f s 其次，还有宁波自动化仪表有限公司1 9 9 8 年研制的两参数 q c w y l 型采 哈尔滨工程大学硕士学位论文 油机组井下测温测压系统”，其技术指标如下【s 】： i 。压力测量：o 3 5m p a ：精度：1 0 级 2 过压能力：1 5f s 3 温度测量：0 1 2 0 ；精度：2 4 重量：井下参数测量便送部分1 0k g 井上二次仪表部分l8k g 5 电机星点不平衡电压达1 5 0 v a c 时对测量误差影响不超过0 0 6 6 隔离元件的性能：测试电压2 5 0 0 v o c 时，绝缘电阻大于5 0 0 0m q 7 可靠的短路保护；井上动力线一相接地时，井下交送器输入端电压 不超过1 5v a c 1 3 发展趋势及展望 井下工况状态监测装置主要的发展趋势是进一步提高测量精度，能够测 量更多的井下参数，更高的工作环境温度( 2 0 0 ) ，改善信号传输及信号处 理装置标准化、模块化及可重构性。具体体现在以下几方面：首先，要提高 测量精度，应该提高井下传感器的精度，可以选用新型敏感材料，比如采用 新型高精度等级和耐温等级的压力、温度传感器等；其次是多种传感器的复 合统一，以便于集中选购、安装和处理；再次，对于信号的传送可以选用更 加快捷、无损失或者是损失较小的信号传送方式，比如采用微波、光纤等通 讯方式，电力载波的传送方式将会更加普遍，与控制系统合二为一达到智能 化的远程控制模式。可以相信，随着科学技术的发展，未来的井下工况状态 监测装置将会更加精确和智能化。 1 4 本项目的主要任务及要求 本项目的主要任务及要求如下： l 系统方案设计 确定井下工况状态监测装置可测量的参数为七个，分别为：入口压力、出口 压力、入口温度、电机温度、振动、泄漏电流及载波电压。载波电压为系统自诊 断参数，不傲技术要求。其它各个参数的颡0 量范围，精度和分辨率有具体要求 6 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 m i l l 完成总体设计方案及关键元器件及传感器的选择，确定出性能可靠、经 济合理、切实可行的技术方案及实施方案。 2 机械结构设计 包括测试装置的机械方案详细设计、测试装置的电器方案设计。必须考 虑套管内径的大小。以使其与套管内径相适应。 3 电路设计 包括传感测试、信号处理部分等处电路设计。考虑到5 ”套管内径仅有 1 2 4 r a m ，考虑到结构壁厚，井下各个部分电路板宽度限定在7 5 m m 以内。高度 不大于3 0 r a m 。 4 实验 包括室内空载工作测试、高温环境工作测试、振动环境工作测试和现场 联机测试。 1 5 本章小结 本项目要求通过井下工况状态监测传感器进行测试，基于动力电缆将信 号反馈到地面二次仪表以进行各参数的测量。 本文对进行了井下传感器内各参数测试电路的设计、信号的采集与传输 及地面仪表的数据生成，模拟信号与数字信号的转换，传送信号通道的调试。 设计各参数测试韵电路及整体结构，信号传输和接口设计，地面二次仪表的 设计，与电泵系统的连接。研制了样机并进行了室内模拟实验和现场实验。 本文主要工作内容如下： l 根据国内现实情况，结合国内外有关井下工况状态监测装置的研究 现状，分析相关测试仪器的测试特性、测试传感器性能指标及各种芯片的选 用情况，确定测试装置总体设计方案及关键元器件及传感器的选择。 2 完成监测装置的实体设计，具体包括：总装配图、零件图、地面控制 设备原理图，并下电路板( 即芯片) 电路设计。 3 配线设计及程序流程图设计。 4 监测装置样机的制作，研究室内系统的联机调试。 5 监测装置的工业现场调试与实验， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统结构设计 井下多元测试装置的设计分为两个部分，即下位系统设计和上位系统设 计，也即井下测试装置设计和地面二次仪表设计。在井下测试装置的设计中， 包括检测电路元器件的筛选，传感器信号调理、d 信号采集电路设计、信 号处理电路的设计、通信电路设计及电源电路设计、机壳结构设计等。地面 二次仪表部分包括地面电力接口设计、数字信号还原处理设计和下载存储设 计及仪表面板设计等。本章主要侧重系统的总体设计和下位系统密封外壳设 计。本系统所设计的机械本体结构和尺寸与国际通用相关接口兼容。 2 1 下位系统设计 下位系统设计包括机构类型方案设计、井下测试仪机械本体设计和测试 电路设计等部分。机构类型方案确定井下系统的测试参数个数，外形结构， 连接要求等。机械本体设计确定密封外壳的具体尺寸。测试电路的设计只是 确定电路的总体方案，具体设计将在第3 章介绍。 2 。1 。1 机构类型方案设计 比较英国风凰公司p h o e n i x 系列、美国韦瑟福德公司w 甸h e r 蠡) r d 系列和英国顶 峰公司z e n i t h 系列采油机组井下测试装置的产品性能，并综合考虑国内实际需求情 况，传感器制造水平，产品成本等因素，决定选择可测量六个参数的机构形式，即 采油机组入口温度、入口压力、出口压力、电机；温度、振动、泄漏电流参数的多元 井下测试。振动参数表征机组在垂直于电机轴线平面内的振动加速度。出口流量用 设置在地面的流量计测量，不计入监测系统的测试参数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 整个采油机组井下监测系统 位于采油机组电机的下都，由于 不同机组电机的底部接口大小不 同，因此，在电机和采油机组井 下监测系统之间必须设计一个过 渡连接接口，该接口的上部通过 法兰和螺栓与采油电机底部接头 相连，下部也是通过法兰螺栓 与井下监测系统相连，其装配 示意图见2 1 。采油机组井下 监测系统内部布置有采油机组 入口温度、入口压力、出口压 力、电机温度、振动、泄漏电 流传感器及数据的处理电路， 其中出口压力传感器通过静态 引压管连接到机组出口的对应 处，而入口压力传感器直接通 过采油机组井下监测系统上的 预置开口实现对入口压力的测 量。入口温度通过装配在监测 系统内壁上的铂电阻测量。振 动传感器位于监测系统内部， 传感器内有悬空的振动圈，其 测量的信号通过导线连接至采 油机组监测系统的处理电路。 电机温度参数的测量选用铂电 阻进行电机绕组温度的测量， 铂电阻位于电机绕组内部，而 铂电阻测试电路位于采油机组 井下监测系统内部，二者也是 9 电机星点接头 过渡接头 出口压力测试 上接头 壳体 电路板 支撑壁 下接头 图2 1 装配示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用导线连接的。泄漏电流的测量是电机星点引出线对地的交流电流，经过交 直流真有效值变换就可以得到测量信号。 由于采油机组井下监测系统工作于井下凡千米深处，环境恶劣( 温度最 高达到1 5 0 ，压力最高4 0 m p a ) ，因此要求监测系统具有耐高温、高压的能 力以及在该条件下的良好密封性和可靠的工作。 由于井下监测系统和地面设备相距一千米以上，使用单独的信号电缆价 格昂贵，本方案采用电机的动力电缆来传输测量信号，各传感器测量的信号 在井下监测系统内经过a d 转换器变换成数字信号并且经过滤波处理、载波 调制耦合后加载到机组的动力电缆上。井下监测系统内部电路的电源也是通 过动力线束传送的，泄漏电流也是从动力电缆星点上提取的。 2 1 2 引压管设计 出口压力的引压管要求有一定的强度，可以承受4 0 m p a 的压力。体积不 能太大，外径不超过5 m m 。由于国内工艺限制，采用直径5 m 的不锈钢管，中 间用卡口接头连接。 与电机电气连接的接口处包含三根电缆，其中一个用于连接电机星点与 采油机组井下监测系统内部电路总线，既是为采油机组井下监测系统内部电 路提供电源又是为信号的传送提供信道；另外有两个接口，分别与测量电机 绕组温度的铂电阻的两端相连，与采油机组井下监测系统内部电路构成测量 回路。 为了保证系统在高温、高压环境下的密封效果，本接口与过渡接头采用 法兰连接，并装配特殊材料的双0 环密封圈。因此，接口端部为密封圈设计 出了相应的环形槽。这部分是按照国际标准设计的，以便元器件的批量采购 筛选和监测系统的批量生产，参见图2 2 所示。 2 1 4 密封外壳设计 密封外壳装配图如图2 3 所示。 l o 哈尔滨 二程大学硕七学位论文 在壳体的上部设有两个开口向上的螺纹孔，分 别进行入口压力、出口压力的测量。其中测量出 口压力的螺纹孔，通过引压管连接到泵的出口端， 而测量入口压力的螺纹孔位于壳体的表面。测量 入口温度的铂电阻直接埋在壳体的内壁，壳体壁 的温度可以等同于入口井液温度。 为了牢固的固定采油机组井下监测系统， 保证其安全与稳定运行，在采油机组井下监测 系统的底部设置了带有油管扣的接头，通过油 管扣与下面的扶正器连接，防止其振动过大。 电路安装架是系统稳压电源电路，信号调 理电路，数据采集电路，单片机系统及调制耦 合电路等部件的主要安装载体，由于采油机组 井下监测系统壳体内径的限制，电路部分的宽 度应该略小于采油机组井下监测系统壳体的内 径，长度略短于其内壁长度。安装架上按照各 电路板安装孔的位置分配而钻出一定数量的安 装孔，用于安装固定各个夹具，各电路板是安 装在这些夹具上的。 2 1 6 过渡接口设计 图2 2 上接头 图2 3 外壳结构图 过渡接头的一端连接到采油机组井下监测系统，另一端连接到电机底 部，两处均采用带密封0 环的法兰螺钉连接。过渡接头和监测系统外壳的顶 部都预留了工艺凸肩，便于螺钉的安装。过渡接头参见图2 4 所示。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 嗣r l l i i i i i 葺宣i i i i i 皇i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 童声i i i i i i i i i i i 薯暑i | 宣i i i 宣i | i _ 2 1 7 系统电路设计 下位系统电路部分功能是对各传感器 测量的信号采集、处理、编码、发送。其中发送 部分需要特殊的调制耦合电路将信号耦合到星点 动力电缆上。上位系统将耦合的信号提取出来， 经过处理还原下位系统的测试数据，并且存储起 来。具体电路部分在结构上分为：电源、检测电 路、信号调理电路、数据采集电路、单片机处理、 耦合调制电路、耦合解调电路等。 硬件电路设计是本论文重点，这些将 在第3 章中详细介绍。 2 2 测试原理设计 图2 4 过渡接头 采油机组井下监测系统位于电机的下部，通过过渡接口与杌组电机连接。监 测系统和机组一起浸没于井下油水混合物中，由于采油机组井下监测系统和泵的 入口处相距很近，因此泵的入口温度和压力可以在采油机组井下测试装置入口处 测量。出口处压力需要在泵的出口处用引压管连至井下监测系统外部的出口压力 测试接口处就可以测得出口压力值。电机温度的澳0 试部分在井下监测系统外部完 成的，而它们的信号处理电路均是位于井下监测系统内部。振动和泄漏电流测试 部分均位于监测系统内部。 井下检测电路测试信号经过信号调理、数据采集滤波、数据处理编码后 发送给地面设备。由于井下系统和地面设备相距一千米以上，综合考虑各方 面因素，这里采用机组的动力电缆来传输信号，如图2 5 所示。井下电机的 三个定子绕组是对称的星形连接，在地面通过三相电抗器构造一个对称的星 点0 ：，两个星点0 。和0 2 的合成电压为零，电机三相动力电源对信号在0 和0 。之 间传输不产生影响州。 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 3 信号传输信道设计 采油机组井下监测系统的测试数据是通过采油机组的动力电缆进行传送的，信 号传送电路是连接下位系统和e 位系统的纽带，也是下位系统电源传送的通道。根 据电力载波通信原理，贯穿于油井上下的三相交流动力电缆作为通信信道，井下监 钡4 系统可以完成澳5 试要求。载波电压作为电源，下位系统与上位系统的通信由载波 通信完成，关键部分还是其中的接口。将在第3 章详细介绍相关内容。 2 4 上位系统设计 上位系统设计包括地面仪表的外形结构设计和数据处理软件的设计。设 计要求有：体积适当、布局合理、操作方便、数据处理快、下载方便、实时 监控等。采用工业用单片机控制来实现。 具体上位系统功能设计如下： 1 构造与井下对称的地面星点； 2 系统过电流保护； 3 工频干扰滤波和信号提取滤波； 4 提供下位系统的直流电压源： 5 通信信号解耦接口； 6 信号解码、数据还原处理； 7 测试数据的实时监控： 8 测试数据的记录； 9 测试数据下载接口。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a8c 地面电抗器l 1 j j 也 0 2 - 曼- i；j 囊 产 w 组 井下测试 变送部分 2 5 本章小结 图2 5 系统传输示意图 井下监测系统的机械密封外壳受油井套管内径尺寸的限制，各个组成部 分必须有一定的体积限制。监测系统工作于井下高温高压环境，密封外壳的 结构强度和密封性能也要考虑到这些方面的因素。 本章对井下入口压力、入口温度、出口压力、电机温度、振动和泄漏电 1 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 流六个参数的测试机构形式进行了设计。各接口都采用国际标准的形式来设 计，具有很好的互换性。出口压力测试用的引压管，监测系统密封外壳，过 渡接头也进行了合理的设计。最后是监测系统的功能电路和通信方案也在本 章得到了合理而有效的设计。 哈尔滨_ t 程大学硕七学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1 下位系统总体结构 3 ，1 1 数据采集系统概述 在测试过程中，被测信号主要是各种模拟信号。虽然已有不少能输出数 字信号的传感器，但是在许多测量中，采用的还是输出模拟信号的传感器。 为了实现微机对被测信号的分析和数据处理，首先需要将被测的模拟信号转 化为微机可识别的数字信号，即解决数据采集问题。数据采集就是把从传感 器输出的模拟量，经过预处理并依靠模一数转换器转换为微机所需要的数字 量，以便用微机进行存储、显示、分析、处理和传输1 1 0 1 。 数据采集技术解决了工程测试中模拟信号输入数字微机的问题，因此数 据采集系统又称为微机的模拟信号的输入通道。 微机的模拟信号输入通道，主要有多路模拟开关( 记为m u x ) ，采样保持 电路， o 转换器及其与微处理机的接口电路组成。由于传感器的工作环境往 往较为恶劣，传感器输出的被测信号经常受到较大干扰。因此，在很多数据 采集系统中还包含滤波器和抑制干扰能力很强的数据放大器。数据放大器的 增益是可控制的。通过计算机的软件编程可实现信号调理。 微机的多通道模拟信号输入子系统，常称为多通道数据采集系统。按不 同的要求主要有以下几种结构： ( 1 ) 每个通道具有独立的s n 电路和a d 转换器的数据采集系统。如图3 1 所示，这种系统主要用于高速数据采集，采集后各通道被测信号是完整的， 有利于分析同一时刻多路被测信号的相关关系。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c p u 图3 i 同时采集系统 ( 2 ) 多通道分时共享s h 电路和a d 转换器的数据采集系统。如图3 2 所 示，这种系统使用芯片数量少，必要时还可加置模拟多路开关( m u x ) 来扩 展通道数，常采用n 个通道顺序工作的方式。由于每个通道的采集和转换时 问t s t ，取决于多路模拟开关的工作时间，s h 电路孔径时间和a d 转换时间。 现定义n 个通道的数据采集和转换所需时间n t ”的倒数为多通道数据采集系 统的数据通过率岛= i n t 。显然，岛也就是多通道数据采集系统中，每个通 道的采样频率f s 。在实际测量中，任何通道的测量信号的最高频率分量f h ， 都必须满足采样定理。因此，这种多通道分时共享s h 电路和a d 转换器的数 据采集系统，一般只适合测量变化缓慢的信号。并且，信号是通过多路模拟 开关( 姗x ) 轮流切换送入s h 电路和a d 转换器，所以被测信号是断续的， 对实时测量必然引入误差。 l 2 3 n 图3 2 分时采集系统 ( 3 ) 多通道共享a d 转换器的数据采集系统。如图3 3 所示，这种系统也 常称为同步数据采集系统。这种系统每个通道由一个s h 电路，并受同一个 信号控制，保证同一时刻采样多个通道信号，有利于对各个通道的信号波形 进行相关分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 2 n i 一，l 。掣 l - - k - | 口塑口 乇 m u x 一 一a t ) 玎1 7 矿 图3 3 多通道共享a d 采集系统 “) 主计算机管理的各通道独立变换和与处理的数据采集系统。如图3 4 所示，这个系统的每个通道都有s i h 电路，a d 转换器和微处理器或单片机， 具有很强的独立性。每个通道都可以按各自的测试要求选用s h 转换芯片， 并按各通道具体要求设置微处理机和信号预处理的程序，因此可以节省主计 算机的工时，特别适合于智能化传感技术和远距离传输的要求。这种系统实 质上属于有主计算机管理的主从式多机系统范吲】。 图3 4 主机管理采集系统 由于本测试仪测量的信号变化较为缓慢，对实时测量的要求不高，另外 从节省测试仪内部的空间考虑，应该选用使用芯片数量少的第( 2 ) 种结构 形式( 分时采集系统) 。另外由于被测物理量经过传感器的捕捉和转换，其 输出信号幅度( 如电流、电压等) 往往很小，无法进行a d 转换。因此，传感 器输出常常要接模拟信号放大器。模拟信号放大器通常采用集成运放。因为 它具有输入阻抗高、输出阻抗低和放大倍数大的特点，能很好地对传感器输 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出的小信号进行有效的放大。 单片机控制系统的输入通道各个组成部分详细介绍如下： 1 多路模拟开关 在微机辅助测试技术中，经常遇到需要采集来自多个传感器的模拟测量 信号。例如：在数据采集系统接收多路测量信号并共用一个a d 转换器的情 况下，就要采用模拟开关，轮流切换各路测量信号，分时地输入共用的 d 转换器进行a d 转换。 2 采样保持电路 在a d 转换期间，应保持o 转换器的输入信号值不变，以免a d 转换的 输出发生错误。这种保持a d 转换期间输入信号不变的电路，成为采样保持 电路。在a d 转换过程中，s h 电路对保证a d 的精度有着重要的作用。 3 a d 转换器 模一数转换过程包括采集、量化和编码，其实质是对时间和幅值的离散 化。常用的模数( a d ) 转换电路种类很多，例如，快闪型、逐次逼近型、 积分型、流水线型、一型等。快闪型a d c 的优点是在一个周期内完成转 换，速度最快，但是分辨率较低且功耗大。流水型a d c 将转换分成凡级来完 成，各级转换过程同时进行，其转换速率等于一级闪速a d c 的转换速率，这 种转换器适用于对波形连续采集，不适用于多路信号分时采集。逐次逼近型 a d c 由逐次比较寄存器组，比较器和高速d a c 组成，要达到n 位分辨率需要n 个 比较周期。一型a d c 采用高倍过采样和数字滤波技术，其精度高，但通 常转换速度较慢。积分型a d c 通过电容的充放电和比较、计数逻辑实现a d 转 换，转换速度几十到几百毫秒，分辨率为1 0 1 8 位，广泛应用于数字仪烈1 2 】。 下位数据采集系统对6 个监测参数进行采集和编码发送。根据传感器的 具体特性，将垂直于电机轴向平面的电机振动分为振动x 向和振动y 向。下 位系统通过载波电压获取电源，故将载波电压也作为一个监测参数。本监测 系统分为：下位数据采集系统、载波耦合通信系统以及上位数据处理系统。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m 一一i _ 系统机构框图如图3 5 所示。下位系统采用连续测量模式，不l 日j 断的对机组 的6 个参数进行循环测量。上位系统采用连续数据接收及处理模式。上、下 位系统通过载波耦合通信系统进行单工异步串行通讯。利用地面三相电抗器 和井下采油电机的对称星点构成的载波耦合通信系统为串行通信提供信道。 所有被测试物理量频率不高，根据采样定理f s = 2 f ，采样频率大于2 k h z 即可不失真的采样信号。结合其它具体细节要求，井下数据采集a d 采用美 国a n a l o g 公司的2 4 位一型a d 7 7 3 8 。 l 驻力1h 压力传感器l - 一 l 压力2h 压力传感器2 一 信8 f 号路 s i 温度lh 温度传感器l 卜调 2 苴 k i 温度2h 温度传感器2h 一 理4 片调 羹婺：il 加速度传感器f 滤位 i 振动2i 。”“”。” 波a 机制 i 电流lh 电流传感器卜_ 一 限| 耦 幅d 合 l 载波电施h 电压传感器卜一 图3 5 下位系统结构图 数据采集电路将电压信号经过a d 转换，送单片机处理。单片机输出信 号至电力载波芯片，对所得的频率信号进行频率搬移，将频率信号搬移到适 合电力线传送的频率段。 本文中的a d 转换器采用a d 7 7 3 8 转换器。 a d 7 7 3 8 是美国a d i 公司开发的具有低噪声、高分辨率、高可靠性及线性 度好等优点，采用z 一转换技术的2 4 位a d 转换器件，其灵活的串行接口 使a d 7 7 3 8 可以很方便地与微处理器或移位寄存器相连接，可以利用s p i 总线 完成与微处理器的通信。它适合于测量具有广泛动态范围的低频信号，可广 泛应用于应变测量、温度测量、压力测量及工业过程控制等领域。其主要特 点如下： 1 采样速率1 5 k s p s 2 高精度，2 4 位无丢失码； 3 可配置为单极性8 通道或者双极性4 通道输入； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 0 o o l 5 非线性度； 5 三线串行接口，可与s p i 、q s p i m i c r o w i r e 标准兼容 6 单电源工作( + 5 v 模拟电源，+ 3 或+ 5 v 数字电源) 7 工作温度范围一4 0 + 1 0 5 根据需要，选用a d 7 7 3 8 的0 2 5 v 输入范围，1 6 位转换模式。采集后的 数字信号经过单片机中位值滤波编码后，用u a r t 接口发送出去。a d 7 7 3 8 的应 用电路如图3 6 所示( 1 3 l 。 3 2 检测电路的设计 图3 6a d 7 7 3 8 应用电路图 3 2 1 温度测试电路的设计 由于电机温度是通过测量电机的绕组温度获得的，因此可以选择热敏电 阻或者薄膜铂金电阻。考虑到井下特殊的温度及压力环境，并且为了便于统 一处理，这里电机温度和入口温度的测量均选用可以直接承受高压的或者是 经过封装处理后也可以承受高压的并且测量范围超过o 1 2 0 ，测量精度 可以达到l 的热敏电阻或者薄膜铂金电阻，参见图3 7 。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图3 7 铂电阻传感器 图3 8 测温电路 铂电阻在所有的温度传感器中是最稳定的一种。图3 8 给出了恒流源供 电的基本电路。铂电