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中北大学学位论文 基于模拟油井的p - t 测试仪的动态校准 摘要 在动态测试实验中，测试系统的准确性是测试中的关键问题。在实际测量中，很多 动态参数的测量是在恶劣环境下进行的。在实验室环境下研制的测量仪器在测试现场工 作时，会出现测试精度下降，甚至无法j 下常工作的情况。所以需要根据实际测试环境， 对测试仪器进行应用环境下的校准，以提高其测试精度。 在对单通道油井p t 测试仪进行了介绍后，本文接着介绍了应用脉冲压力发生器( 即 落锤) 对油井测试仪的灵敏度进行准静态标定的原理，并对标定系统的可行性和精度进 行了研究。在此基础上，我们提出了改进标定系统标定精度的方法，并且应用数学软件 对标定结果进行处理。通过油井现场多次实际测得的数据，可以验证标定结果是准确的。 。 为了使测试仪测得的数据更准确，在介绍了动态压力校准技术的发展现状和主要的 校准装置后，我们利用模拟油井装置模拟油井现场工作环境，对油井测试仪进行应用环 境下的动态校准。针对试验中出现的问题，本文从流体力学的角度对实验结果进行了分 析，并且提出了相应的改进方案。 此外，本文还对目前实验中存在的问题和不足加以总结并介绍了今后的研究方向。 关键j 同：动态校准，灵敏度标定，模拟油井装置，p - t 测试仪，落锤 中北大学学位论文 t h ed y n a m i cc a l i b r a t i o no ft h ep - tm e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e d o ns i m u l a t e do i l w e l l a b s t r a c t y u a n j i n j i e ，z u j i n g a c c u r a c yi st h ek e yi m p o r t a n te l e m e n ti nt h ec o u r s eo fd y n a m i ct e s t i n g w h e nt h e m e a s u r i n gi n s t r u m e n td e v e l o p e du n d e rl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n tt e s t st h ef i e l dw o r k ，t h et e s t p r e c i s i o nw i l ld e c l i n e ，o re v e nc a l ln o tw o r kn o r m a l l y i no r d e rt oi m p r o v et h et e s t i n ga c c u r a c y , t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ts h o u l db ec a l i b r a t e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r i n ge n v i r o n m e n t a f t e ri n t r o d u c i n gt h es i n g l ep - tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h ep a p e rt h e ni n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o no ft h ep r e s s u r ep u l s eg e n e r a t o r ( d r o ph a m m e r ) f o rc a l i b r a t i n gt h es e n s i t i v i t yo f t h e o i l w e l lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，a n da n a l y s e st h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ec a l i b r a t i o n s y s t e m b a s e do nt h i sr e s e a r c h ，w ep r o p o s et h em e t h o dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h e c a l i b r a t i o ns y s t e m ，a n dp r o c e s st h ec a l i b r a t i o nr e s u l tu s i n gm a t h e m a t i c ss o f t w a r e t h ea c t u a l m e a s u r e dd a t av e r i f i e st h a tt h ec a l i b r a t i o nr e s u l ti sa c c u r a t e i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，w eu s es i m u l a t e d o i l w e l le q u i p m e n tt os i m u l a t et h eo i l w e l lf i e l dw o r ke n v i r o n m e n t ，a n dt h e nc a l i b r a t et h e m e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nt h es i m u l a t e de n v i r o n m e n t t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ed y n a m i cp r e s s u r ec a l i b r a t i o na n dt h em a j o rc a l i b r a t i o nd e v i c e f o r t h eq u e s t i o n sa p p e a r e di nt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e mf r o mt h e f l u i dm e c h a n i c sp o i n t ，a n dp r o p o s e st h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tp r o g r a m i na d d i t i o n ，t h eq u e s t i o n sf a c e di nc u r r e n tw o r ka n da d v a n c e dr e s e a r c hd i r e c t i o na r e p o i n t e d o u ti nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d y n a m i cc a l i b r a t i o n ，s e n s i t i v i t yc a l i b r a t i o n ，s i m u l a t e do i l w e l le q u i p m e n t ， p - tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t d r o ph a m m e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 一 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：豚罨鸯 导师签名：柑 日期： 日期： 中北大学学位论文 1 绪论 1 1 压力计量技术在现代工业和科学研究中的应用 在现代工业、科学研究及同常生活中，压力计量技术有着很重要的地位。在工业生 产上，压力与其他的物理参数一样，是工业生产过程及自动化过程中不可缺少的控制参 数，其计量准确程度直接影响到生产的经济效益和能源的利用率。例如，在合成氨的生 产中，合适的压力保证各物质以一定的数量比例进行反应，当压力太低时，生产的合成 氨产量很低，压力太高又会给安全生产带来一定的影响。在国防工业中，压力也是一个 很重要的参数，在飞机模型及实体的风洞试验中，飞机表面的压力分布，测量机翼的型 面阻力、检验和控制，液压和气压辅助动力系统，喷气速度的控制，在高空中对高度的 测量等，都需要压力仪表来指示和控制【l 】。 随着工农业生产的发展，科研工作的进一步深入，人们对压力计量技术提出了新的 要求，尤其是对超高压和微压的计量。目前，世界上可计量的超高压力可达数万m p a ， 我国在超高压计量方面做了大量的工作，可计量的超高压力为2 5 0 0 m p a 。在微压计量方 面，世界上可计量的最低的绝对压力为l o m p a ，我国目前可达到绝对压力为1 0 。1 0 p a l 2 1 。 从测压对象来讲，被测压力有气体压力和液体压力，有静态压力和动态压力等，压 力计量的任务就是研究如何解决这些问题。除此之外，它还研究如何把压力量值从基准 传递到标准仪器和工作仪器，选择适当的压力基准、标准设备和测量仪器，即压力校准 的问题。 1 2 动态压力校准技术的发展现状 动态压力校准技术的首要问题是要有频带能充分覆盖被校传感器和测试系统模态 的动态激励信号发生器，才能将被校传感器和测试系统的主要模态激发出来3 1 。对用于 不同目的的不同类型的测试系统，国内外设计了用于不同类型动态校准的仪器及设备。 1 2 1 国外研究现状 美国从5 0 年代初就开始了动态测试和校准的研究试验工作，并取得了很大成就。 1 中北大学学位论文 仅就阿泊汀靶场来看，就有落锤式、空气炮、氮气驱动活塞等三种动态校准装置1 4 , 5 , 6 , 7 , s 】。 其落锤式校准装置的导轨高2 4 4 m ，锤重2 7 2 2 9 4 8 k g ，用于校准液压压力传感器， 峰值压力为( 3 5 1 4 0 6 ) 1 0 5p a ，脉冲宽度为1 - - - 1 2 m s ：a v l 公司研制的b 6 2 0 落锤法 动态压力标定系统，其标定范围是1 0 0 0 - - 一8 0 0 0 b a r ( 8 0 0 m p a ) ，持续时间为2 5 m s i s , 9 j o 。 对于低量程的压阻传感器，人们设计了驻波管和负阶跃压力发生器动态校准系统。 前者是利用驻波管的动态校准原理，逐步改变驻波管长度来粗略获得传感器的固有频 率。后者是利用对传感器的负阶跃瞬念响应的分析来获得传感器的固有频率【l 。对用于 同时测量一个普通的力和两个相互垂直力矩的压电式力一力矩传感器的动态校准，通过 采用该传感器对施加于方形条钢的伪随机振动激励的响应或方形铝盘的冲击激励的响 应的方法实现对传感器的动态校准【9 】。在动态力的校准方面，德国p t b 实验室有稳态正 弦激振力源振动台校准装置，它能产生的最大力值为l k n ，校准的频率范围为 2 0 h z l k h z 1 l l 。世界著名的英国l d s 公司v 8 7 5 振动台最大稳态正弦力幅值3 6 k n ，频 率范围为3 k h z 1 2 】。还有利用充电的大电容在短时间内放电的方法快速熔断金属丝来获 得负阶跃力的阶跃力源发生装置，最小切断时间可小于1 0 1 i s 1 3 】。由于地震引起的地表的 震动，武器的运输引起的冲击振动已经成为军事和航天领域机械装置应用的障碍【1 4 j 。在 振动中保护装置方面，美国和国际上其他国家在这方面做了长期而大量的研究工作，美 国国家标准局( n b s ) 对机械冲击传感器校准制定了详细的标准【15 1 ，国际标准化组织 ( i s o ) 为振动冲击校准方法制定的标准【1 6 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国在动态计量、尤其是动态压力测量与校准方面也进行了许多工作，取得了很大 的进展。激波管能够产生快速的阶跃压力，压力值可以通过测量和计算获得，是一种理 想的动态校准装置。我国第一台动态压力校准激波管是由中国科学院力学研究所在1 9 6 3 年建成的。1 9 8 0 年长城计量测试研究所和c a s c 第一计量测试研究院，也相继建成了动 态压力校准激波管，并装备了高速数据采集分析系统和高准确度的流场参数如压力、温 度、激波管速度的测量仪器。当年建成的激波管口径为1 0 0 m m ，阶跃压力范围为 0 0 4 m p a 一- , 1 0m p a ，阶跃压力恒定时间为1 0 m s ，入射激波压力不确定度为1 2 ，反射激 波压力不确定度为2 3 。在这以后许多单位陆续开展了动态压力校准的研究工作，在 2 中北大学学位论文 激波速度测量方法，激波速衰减理论，激波管端平面振动冲击对校准准确度影响，压 力传感器安装孔和插入管的影响等方面取得了研究成果。航天部一院计量站于1 9 7 9 年 建立了完整的激波管动压校准系统。中科院力学所曾将激波风洞改造为5 0 m p a 激波管 动压校准系统。8 0 年代初，洛阳工程兵研究所探讨了用炸药爆炸的高压激波管原理。中 国气动中心于8 0 年代中建立了名义值为1 0 0 m p a 的高压激波管，1 9 9 2 年兵器部2 0 4 所 研制了1 0 0 m p a 的高压激波管。近几年激波管的工作压力在向两端延伸，低压激波管的 阶跃压力范围达到了0 0 1 m p a - - - 1 m p a ，高压激波管的最大阶跃压力范围达到了1 0 5 m p a ， 压力不确定度为2 f 1 7 】。 九十年代长城计量测试研究所研制了一种低频正弦波压力发生器。这种装置由一个 活塞和与它相配的汽缸组成，活塞由一个步进电机带动作有规律的往复运动，从而在汽 缸内产生正弦波压力。这种装置的频率为0 0 0 1h z - - 2 0 h z ，谐波失真小于3 。航空工 业总公司3 0 4 所1 9 9 4 年研制出采用高纯度的s i c 陶瓷作为脆性材料的l o o k n 力传感器 动态校准装置，其断裂时间为2 - - 一2 0 l t s 1 8 】。中国计量科学研究院等单位研制的基于脉冲 力源的冲击力校准装置，上升时问为0 5 l m s 1 9 】。 为了满足高压动态压力校准的需要，除了研究高压激波管外，各研究机构还研制了 落锤式和快开阀式动态校准装置。8 0 年代初南京理工大学研制的落锤动压发生器，它能 产生1 0 m p a - 1 0 0 0 m p a 的压力，压力典型脉宽为6 m s ，压力不确定度为0 5 。长城计 量测试研究所则研制了一种快开阀门式高压动态压力发生器，其工作压力范围为 1 0 m p a 1 0 0 0 m p a ，采用液体介质，可产生正的或负的阶跃压力，上升时间仅为1 5 u s 2 0 】。 北京航空航天大学研制了0 0 1 m n 1 m n 之间的几种负阶跃力发生器【2 。华北工学院 研制成功了利用多普勒技术的高g 值加速度动态校准系统【2 2 】和脉冲激光温度传感器响 应特性校准装置，这些都为开展动态测试打下了基础。 另外，在动态校准的信号分析与数据处理方面，1 9 7 5 年有人提出在冲击加速度计校 准中利用傅立叶变换的技术。中国学者黄俊钦在传感器动态补偿滤波器的研究、传感器 动态重复性和线性度方面作了大量的研究工作并取得了显著的成效【2 引。 国家质量监督检验检疫总局曾于2 0 0 5 年颁布了动态压力传感器的检定规程j j g 6 2 4 _ _ 2 0 0 5 ，对压力传感器的动态校准提供了一系列的规程【2 4 1 。但关于动态压力的校准， 目前国内外尚未形成标准。 3 中北大学学位论文 1 3 动态压力校准方法简介 1 3 1 静态溯源性校准 压力量值的传递是从我国准确度最高的压力计量仪器，即国家压力计量基准器具， 向计量标准器具传递，然后由计量标准器具向工作器具逐级传递。从国家计量基准器具 传递到工作计量器具的过程，称为压力量值传递体系，而从工作计量器具到国家计量基 准器具的检定过程，称为压力量值的溯源体系。按照压力检定系统表进行检定，既可保 证被检测量仪器仪表的准确度，又可避免用过高准确度的仪器仪表来检定低准确度的测 量仪表，减少国家计量基准器具等高准确度仪器的使用次数，同时又能满足检定工作的 需要【1 1 。 国家压力计量基准器具，是一组覆盖不同压力范围的基准组，包括测量范围为0 1 1 0 m p a 的油介质活塞式压力计，其相对扩展不确定度为0 0 0 2 1 ；正在筹建的测量范 围为5 k p a , - - 一6 0 0 k p a 的气体活塞式压力计，其相对扩展不确定度为0 0 0 1 8 ；测量范围 为l i o o m p a 的油介质活塞式压力计，其相对扩展不确定度为0 0 0 2 5 。 1 3 2 动态压力溯源性校准 获取测压传感器( 或测压系统) 的动态特性是压力动态校准最主要的一种功能。根 据需要可以是获取时域响应特性，如上升时间、时间常数、过冲、振铃频率、自振周期 等；也可以是获取频域响应特性，如幅频特性、相频特性等。校准的结果一般是以数据 或曲线形式表示，称为传感器( 或系统) 的动态非参数模型。 从频率域来研究，静态特性是指频率为0 时的特性。国家力学、热学量的计量基准 都是静态的基准，如果某仪器系统其频率响应特性从0 频至所需要的频率范围是平直的 ( 在一定误差范围内) ，则可通过静态校准的量值传递，得到该仪器系统的动态测量精 度。 因此，动态测量的溯源性校准问题可归结为对被校仪器进行溯源性静态校准和求得 其频率响应特性两个问题。 4 中北大学学位论文 1 4 动态压力校准装置 根据动态压力校准的对象和目的的不同，需要利用各种不同的装置来进行，因而逐 渐产生了各种各样的动态压力校准装置。任何一种动态压力校准装置，一般都由两大部 分组成：一是激励源( 动态压力发生器) ，用以产生所需要的压力波形；其次是测量系统， 用以监测压力波形或波形特征星。下面简单介绍：目f i 应用较广的几种动态压力校准装 置的原理、特点和用途【1 1 。 1 4 1 阶跃类动态压力校准装置 测量系统的时域特性通常是以阶跃响应的某些特征值来表示的。同时，阶跃信号具 有相当宽的有效频带，可在试验中激发传感器，从而得到传感器的频域特性。因此，阶 跃压力发生器在压力传感器动态校准中得到最广泛的应用。 ( 1 ) 激波管 激波管是一种经典的动态压力校准装置，它可以产生上升时间非常短的阶跃压力信 号。校准频率上限可达1 m h z 以上。激波管装置是目前广泛使用的动态压力源，它产生 的阶跃压力波前沿上升时间在0 1 u s 以内，在有限时间内( 一般在1 0 m s 左右) 平台压力 恒定。但它的校准压力不高，一般在1 0 m p a 左右，个别高压激波管压力幅值可达1 0 0 m p a 。激波管存在两个不足之处：首先，压力较低，对于5 0 0m p a 以上的高压传感器， 即便是高压激波管其试验压力也仅是传感器量程的2 0 ；其次，由于激波压力平台时间 较短，因此无法获得传感器1 0 0 h z 以下的频响特性；大多数动态压力信号的低频分量占 信号能量的绝大部分，因此，得不到传感器的低频特性是一个严重的缺陷。 ( 2 ) 快开阀式 快开阀式动态压力校准装置也是一种阶跃压力发生器。它的阶跃压力上升时间不如 激波管快，但压力值较高。由于压力平台保持时间理论上可以无限长，幅值可以精确测 量，幅值误差可比激波管小一个数量级，因而很适于高压传感器的频响特性和灵敏度校 准。国外的此类装置最大动态压力幅值可达3 5 0 m p a ，上升时间为几十u s 到几m s 。国 防科学技术工业委员会第一计量测试研究中心( c i m m ) 的快开阀式动态压力校准装置阶 跃压力可达1 0 0 0 m p a ，平台压力恒定，上升时间小于2 0 u s 。目前，这套装置的幅值准确 5 中北大学学位论文 度可达0 1 。 快开阀门装置是利用液体作为工作介质，在高压室和低压室之间用一预应力快速阀 门隔开，高压室容积大于低压室1 0 0 0 倍，长度大于低压室4 0 倍。被校传感器安装在低 压室。校准时通过快速打开阀门使低压室压力突然升高，加载于被校传感器。低压室压 力和高压室压力达到平衡的时间( 阶跃压力上升时间) 取决于低压室的大小( 直径和长 度) 、液体的黏性和开阀速度。阀门开启前低压室的压力接近于大气压力，阀门快速开 启后低压室最后达到的稳态压力由于具有足够长的稳定时间，可以实现精确测量，其准 确度取决于数字压力计的测量准确度。标准传感器置于高压室，仅用于监测开阀前后的 稳态压力。该装置的阶跃压力平台可在相当长的时间内保持稳定，因此，用标准传感器 测量开阀后的压力平台相当于静态测试，测量准确度完全取决于标准传感器和测试系统 的准确度。 1 4 2 脉冲式动态压力校准装置 ( 1 ) 落锤 这类装置是利用自由落体撞击密闭油缸上的活塞，在油缸内形成波形类似于半正弦 的压力脉冲。其特点是结构简单，动态压力幅值高( 可达1 0 0 0 m p a ) ，脉冲宽度多在l 15 m s 范围内，适用于高压传感器的准静态校准。这类装置所产生的压力的频率成分在 1 0 0 0 h z 以下。本文主要应用落锤对压力测试系统进行准静态标定。 标准压力传感器( 三个) 和被校压力传感器对称安装在半正弦压力发生器上，感受相 同的压力。调整系统可得到一系列期望的校准压力值。标准压力传感器和被校压力传感 器的输出信号经过信号发生器后都输出至数据采集系统。通过比对二者的压力峰值得到 被校压力传感器的灵敏度、非线性等信息。 ( 2 ) 准6 校准原理 6 信号是持续时间为o ，幅值为无穷大的信号。它的频谱自0 频至无穷大都是平直 的，是作为求取传感器响应特性的理想激励。6 信号在物理上是无法实现的，但产生大 幅值、窄脉宽的脉冲压力的方法是可行的。使用高压放电、高速冲击、爆炸等方法可得 到脉冲宽度窄，近似于6 函数的压力脉冲。但这类装置产生的压力脉冲波形难以确定， 干扰也比较大。因此，这类装置只适用于做频响特性的校准，不能进行幅值校准。 6 中北大学学位论文 1 4 3 周期型动态压力校准装置 周期型动态压力发生器可以产生频率和振幅可调的压力波。目前有谐振式、变容积 式、变质量式、射流式等多种类型。谐振式正弦压力发生器在压力幅值较低时可以产生 波形质量很好的正弦波，但当压力幅值或频率较大时波形失真严重。活塞式正弦压力发 生器属变容积类，它只适于产生低频正弦压力( 一般限于1 k h z 以下) 。射流式动态压力 发生器能够产生较宽频率范围的动态压力，但幅值较小。 正弦压力校准装置供气系统用压缩气瓶，通过减压调压系统及计算机系统控制供气 压力值。动态压力发生器用步进电机或交流伺服电机系统驱动，标准传感器和被校传感 器在压力室成对安装，使其感受相同的压力。测试系统用于采集测试数据及对动态压力 发生器进行控制。它以计算机为中心，配合数据采集板及放大器来完成信号调理及数据 采集。 7 中北大学学位论文 2 油井p t 测试仪的研究及灵敏度标定 21 单通道油井p t 仪的研究 211 油井pt 测试仪的研究背景 在石油开聚过秤中，射孔作业在油丌1 储蕈的评估巾起着重要的作用。射孔时利用电 缆或者油管将射孔枪下放到某油层仪器位于射孔枪的尾部。到预定位置后，点火引爆 射孔弹，射孔弹爆炸时产生的高温、高压金属射流射穿射孔枪、油井套管和油井岩层， 这样右油就可以从裂缝中流出。但是在射孔作业时，射孔时的高能压力会对射 l 枪产生 洲- 二，常造成射孔枪的断裂和测井仪器的损坏，甚至对套管造成小可修复的损害，因此 需要制定合理的射j l 疗案，保证射扎作业的安仝。凼此，我们需要对射孔后产q ：的压 力进行测量。 在测量过程中，测压器和套管一起放入油井中，测试过秤馓很长，订时会长达儿 凡。因此测压器必须是微j ；：! j 耗的。山于被测信号在不h 时段的有效带宽差异搬人，w 此 仪山信号的虽高上限截止频率确定采样频率是不合理的，仃时甚至是不u t 能的，因为这 需要廿常人的存储空m ，所以信号的采样频率应陵是可变的。 石油井下p t 测试仪是由胍力传感嚣、适配放人器、加转换器、数杜! ：采集系统、 电池和商强度的壳体等组成的测试系统。= 作无需引线，将p t 仪置于油井内，便可自 动完成下井、射孔、“i 裂过程及射孔压裂后的恢复过秤的握力信号采集及存储。实物圉 如图2l 所示。 酗2i 油升p - t 测试仪 8 中北大学学位论文 2 1 2 油井p t 测试仪的结构设计 单通道油井测试系统可大致分为机械结构和电路模块两部分。 测试仪的机械结构材料选用高强度合金结构钢3 5 c r m n s i ，经热处理达到额定强度， 以保护传感器及电路模块在高温高压环境下不受损坏，其结构示意图如图2 2 所示。它 大致可以分为小炮头配接组件、外引读数口组件、电路组件、电池组件、压力传感器组 件等部分。 图2 2 单通道油井测试仪的结构示意图 1 、与射孔枪的连接头； 2 、本体； 3 、压力传感器以及安装底座； 4 、测试电路模块； 5 、外壳； 6 、电路与计算机通信的接口部位； 7 、电池模块； 8 、电池模块安装部位； 9 、下堵头。 上图所示的机械结构图，各模块的布局比较合理，是二十多年来油井压力测试系统 机械结构的总结和发展。在高温和高冲击的实验环境条件下，该机械结构都能够满足测 试要求，关键技术就在于延缓外面的高温向电路的传递以及接口的密封。在井下这个复 杂的环境中如何防止或者延缓热传递是一个非常复杂的课题，目前好多理论都停留在实 验阶段。热传递己知的有三种方式：导热、热辐射、对流，以及这三种方式对电路温度 的影响和如何解决，我们都作了一些探索。为了能有效的防止液体进入壳体内部影响测 9 中北大学学位论文 试系统的正常工作，我们在所有具有螺纹的地方都添加两道高温含氟密封o 型圈，包括 部件连接处、传感器组件与主体连接处、读数口组件与主体连接处、两头的连接头与主 体连接处等等。实验结果表明，这样做能够很好的防止井下石油渗入仪器中。 2 1 3 油井p t 测试仪的总体设计 油井测压器的电路部分如图2 3 所示，压力传感器把外界压力转换为微弱的电信号， 通过仪表放大器放大，再经过a d 转换部分，最后存入存储器，整个过程由c p l d 控制。 首先，通过接口电路把相应的二进制触发电压值写入c p l d 中，a d 转换的电压值和该 触发值进行比较，如果大于触发值，电路的采样频率变为1 2 5 k h z ，如果小于触发值， 电路采样频率为1 h z 。当射孔作业完成后，进入压力恢复阶段，此时电路的采样频率为 5 0 0 h z 。当存储器存满后，仪表放大器和a d 模块都停止工作，整个电路进入等待读数 状态【2 6 ，2 7 1 。 电压信号 图2 3 油井测压器电路模块 1 电源管理模块的设计 油井测压器电路都是靠一次性的高温电池来供应的，电量有限。而测压器有时测试 过程很长，为了减小延长电路工作时间，低功耗的要求也就必须考虑到。为了达到微功 耗，我们采用了多路电源供电管理模式，各电路模块分别为：v c c 、v d d 、v e e 。其中 v c c 和c p l d 相连接，存储模块部分由v d d 供电，a d 转换部分由v e e 控制。电路元 器件采用分组供电，通过控制信号o n a 、o n e 来管理这几路电源的通断，当该路器 件不工作时，将其电源关断，这样就大大降低了电池的耗费。 电源模块在c p l d 内部的控制部分如图2 4 所示，o n o n 和o f f 是电路模块的开 关，t c 是c p l d 外接晶振的使能端，高电平有效。当电路上电后，o n o n 变为高电平， 1 0 中北大学学位论文 o n a n 变为低电平，电源管理模块的v d d 输出有效，存储模块部分开始工作。晶振此 时处于工作状态，所以t c 为低电平，o n e n 也是低电平，电源管理部分的v e e 输出有 效，a d 转换部分开始工作。当存储器的存储空间存满后，晶振停止工作，t c 变为高电 平，o n e n 也变为高电平，所以v e e 输出无效，a d 转换部分电源关闭。此时电路处于 微功耗状态，存储器处于待读书状态。当存储器中的数据被读出后，电路可以关闭，此 时除了c p l d ，所以器件的电源均被关闭。 目前电路在全工作的状态下工作电流只有大约2 1 m a ，在待读数状态下的工作电流 是4 m a ，关闭状态时的电流为0 0 2 m a 。电路采用六节1 2 0 0 m a h 容量的电池并联供电， 系统可以至少安全、可靠的工作3 4 0 多个小时。在微功耗状态下，系统可以保存数据大 约7 5 天，完全满足了一般条件下油f f l 测试的各种需要。 p - l d口 ona i i j 【i 一 c c l r z r n i 图2 4 电源控制模块 2 变频采样部分的设计 采样频率决定了采样信号的质量和数量：采样频率太大，会使采得的信号数量剧增， 占用大量的存储单元，采样频率低的话，会使模拟信号的某些信息丢失，这样一来，若 将采样后的信号恢复成原来的信号，会出现失真现象。因此为了达到最佳效果，必须根 据信号的特点，选择合适的采样频率【3 1 , 3 2 , 3 3 】。 根据以前所做过的实验和经验，在射孔弹爆炸时a d 部分以1 2 5 k h z 的频率高频采 样，压力恢复阶段采样频率为5 0 0 h z 。变频采样控制部分如图2 5 所示，通过控制t 1 、 t 2 、t 3 和t c 信号的变化，产生一个低频使能信号d p e n 。该信号通过一个与门来控制 信号d p 的变化，从而决定了存储器地址信号和写信号变化的快慢。图2 5 中的器件 d p ld p 2 通过t 3 信号的高低来决定产生1 h z 或者5 0 0 h z 的信号。当t 3 低时，输出为 中北大学学位论文 1 h z ，t 3 高时，输出为5 0 0 h z 。在电路等待5 0 s ，待信号稳定后，t 1 变高此时t 2 、 t 3 、t c 信号初始状奄都为低，d p e n 信号为高。这个信号会将d p l _ d p 2 产生的1 h z 信 号赋给d p 。射孔弹爆炸的瞬间，t 2 信号变高，此时d p e n 信号变为低电平，d p 信号 无效，电路工作在高频状态。在存储器存入1 2 9 k 数据后，”变高，此时d p l 产生_dp2 的s o o h z 信号赋给d p ，再通过d p 来决定存储器的地址和写信号的变化p 4 】。变频采样 控制部分的时序仿真图如图2 6 所示。 蠢羔j ：麟三：；! 耋主臣薯薹眚 p 1 ”f 1 - 神i 剖州：= j ：- - = = j ! j ；j ；：黑； ! _ ；! ：! _ ； 群- 剖：羔：_ 曩= = = ：_ ；= - = 一= _ ；一一： 鋈熏攀 萋荔薹攀黧 一_ h25 变频采样控制幽 圈26 变频采样控制时序仿真图 2 2 油井p t 测试仪的灵敏度标定 221 落锤准静态标定技术 压力准静态标定的过程是用半正弦型的压力脉冲对测量系统进行动态标定，压力脉 冲的脉宽必须满足一定要求，即保证其频谱的有效带宽完全处于被校准系统的幅频特性 1 2 巾北大学学位论文 的平直段内，这样标定的结果与静态校准是相当的所以称为准静态标定m 】。落锤是一 种半正弦压力发生器，如图27 所示，标准压力传感器( 三个) 和被校测压器的传感器 都安装在落锤上的传感器座上，感受相同的压力。碍整落锤得到+ 系列油井测压器量程 范围内的压力值。_ 二个标准压力传感器的输出信号经过电荷放丈器和采集卡毫录到电脑 上，被校测址器的输出信号通过v b 读数软件记录到电脑上。通过比对三套标准压力测 试系统的平均值和被校测压器测得的相应的压力值，可以得到被校测压器的灵敏度、重 复性误差及其不确定度等。 酗27 滔锤实物幽 为了保证准静态校准确实满足上述要求，必须对半i f 弦信号的频谱及传感器对半正 弦信号的响应特点进行分析，并掘此合理地确定半正弦信号的脉宽i ”。 半m 弦信号的方程式为： p ( f ) = e s i n ( ”- - t ) g ( t ) ( 21 ) 式巾，f 为半下弦信号的脉宽；e 为峰值幅度：g q ) 为门函数。 g ( t ) ：肥等7 ( 22 ) ) 2 o 其他 姑2 其傅旱叶变换为： p ( j w ) 2 。e r 篱 眩” 13 中北大学学位论文 式中，虚数j ；1 ，圆周率w = 2 才。 半正弦信号的归一化幅频特性方程为： 州2 筹2 稽 忆” 在本实验中我们采用瑞士k j s t l e r 公司的6 9 0 9 型压力脉冲发生器( 即落锤) 来对油 井压力测试仪进行准静态标定。该装置可产生2 5 5 0 0 m p a 的压力，脉冲宽度为5 - 1 0 m s 。 图2 8 为泼落锤的一条典型曲线，它的最高压力峰值为大约9 5 m p a ，脉宽约6 m s 。 r i 矿f 1 百厂i 扩耐n 茸矿n 衙几百矿丌五矿厂i 万导 削28 典璀落锤曲线 根据公式24 对上述落锤的典型曲线作归一化频瞎特性分析，如图2 9 所示。由图 可知，频谱特性曲线是带波瓣的，计算表明第波瓣的信号能量占总能量的9 9 4 9 ：第 二被瓣的信号能量占总能量的04 ；第三波瓣的能量占总能量的00 7 ：第四波瓣的能 量占总能量的0 0 2 ：通常取第一个波瓣的带宽作为信号的有效带宽，即( 0 ，3 ，r r ) 为信号的有效带宽。由以上分析可知，半正弦信号的脉宽f 越大则信号的有效带宽越小， 对被校传感器的高频响应要求越低。然而，对传感器的低频响应的要求却越高。 利用落锤产生的压力脉冲的有效带宽约为2 1 0 t t z ，油井测压器上所用的h k m 一3 7 5 压阻传感器在0 1 0 k 范围内响应曲线比较平坦，而射孔压力的脉宽是毫秒级的。理论 和实践都证明，用该落锤对油井测压器进行准静态标定是可行的。 1 4 中北大学学位论文 图2 9 落锤曲线的归一化频谱特性曲线图 2 2 2 落锤标定系统的静态溯源 校准测试系统采用的3 套标准传感器是瑞士k i s t l e r 公司的6 2 1 3 b k 型压电晶体高压 传感器，电荷放大器是k i s t l e r 公司的5 0 1 5 型电荷放大器，数据采集处理系统采用成都 华采数据采集系统。这三套系统在国防高压力计量一级站兵器工业部2 0 4 研究所进行了 静态溯源校准，校准结果见表2 1 。 表2 1 标准系统的静态特性 传感器电荷放大器- t 作直线方程重复性线性准确度 s ns n ( 最小二乘法)误差 误差等级 1 2 0 8 4 0 11 2 4 0 9 2 50 9 + 1 2 4 x 0 3 9 f s 士0 0 8 f so 5 1 2 0 8 4 0 21 1 2 2 3 3 1 6 7 + 1 2 6 x0 2 8 f si - 0 0 6 f s 0 5 1 2 0 8 4 0 41 1 2 2 3 2 96 5 + 1 2 5 xo 1 7 f s士o 0 8 f so 5 2 2 3 传感器动态特性研究 标准测试系统由传感器一电荷放大器一数字采集卡组成。其中，传感器是动态特性 最差的薄弱环节，在被测物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否良好地追随输 15 中北大学学位论文 入量的变化直接影响到测量结果的可信度，有的传感器尽管其静态特性非常好，但不能 很好地追随输入量的变化而导致严重误差，所以必须对传感器的动态特性进行研究。 压力传感器的动态特性比较复杂，不同的压力传感器其数学模型的阶次和自由度可 能是不同的。为简化起见，描述压力传感器的动态特性时，通常将其数学模型近似为单 自由度二阶线性系统( 以下简称二阶系统) 。在多数场合，这种近似是有其合理性的【2 4 】。 压力传感器可以用如图2 1 0 所示的典型质量一弹簧系统来描述。 m 中 l 图2 1 0 有阻尼的质量一弹簧系统 其运动方程可以用二阶微分方程来描述： 磐+ 三a y + 生y ：塑 d t 2md tm 。m 式中：c 阻尼； 七弹性系数； m 质量； x ( r ) 作用力函数( 由压力产生) 。 对公式2 5 进行拉氏变换，经整理得到系统的传递函数： y 0 )k c o n 2 x ( s ) s 2 + 2 黝。s + 国。2 式中：】，( s ) 响应函数的拉氏变换； x ( s ) 激励函数的拉氏变换； 16 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 中北大学学位论文 k 静态灵敏度，k = 后； ( o n = 1 ! 系统的固有频率，r a d s ； ym s = ；一系统的阻尼比。 2 4 i n k 公式2 6 表述的模型是假定压力传感器能以灵敏度k 来响应静态压力。通常，以电 荷量为响应的压力传感器对静态压力是不响应的。此时，可以引入高通r c 滤波器对其 进行修正。例如，压电式传感器就可以用这种传递函数来逼近： 此时s ：0 ，则响应为零。 式2 6 和式2 7 是用变量j 写出来的，它在频率域上描述了系统的特性。给定了激 励函数，就可以用拉氏反变换导出函数在时间域上的方程。假定有幅值为a 的阶跃压力 信号作用到公式2 7 所表述的传感器上，那么，信号的时域响应即为： j ，( ，) = a 1 一( 1 f 1 ) e - ( 舶7 p s i n w a l t + a r c t a n ( p e ) ) ( 2 8 ) 式中： = ( 1 一占2 ) 2 ； w d = w n ( 1 - - c 2 ) 2 ，为振铃频率，单位是r a d s o 利用超调量a l 、峰值时间t p 与6 9 。和矗的关系，即： 一生 4 ：p 瓜 y 铲丽n l 一专i 可以计算得到传感器的固有频率n 和阻尼比系数磊。 二阶系统的幅频特性曲线计算公式为： l7 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 一高高等 中北大学学位论文 彳( 叻= f 二i 一 ( 2 1 1 ) ( 1 一芝) z + ( 型) z 】l 2 。 二阶系统的相频特性曲线计算公式为： = a r c t a n ( 篙等， 汜 式中：、r 激励频率，r a d m 固有频率，r a d s , s 阻尼比。 2 2 4 标准系统的动态溯源 由于传感器是整个标准测试系统中动态特性最差的薄弱环节，因此标准测试系统动 态特性溯源校准的关键就是压力传感器的动态溯源校准 关于压力传感器的动态校准，可以依据国家质量监督检验检疫总局发布的动态压 力传感器检定规程j j g6 2 4 - - 2 0 0 5 ) ) 进行检定，该规程适用于动态压力传感器的首次检定、 后续检定和使用中的检验。该规程规定了三种动态压力校准装置的标准器准则、检定方 法和要求，包括正弦压力发生器、激波管和快开阀动态压力装置。在本实验中我们主要 使用实验室研制的激波管对传感器的动态特性进行了研究。 。压力传感器属于小阻尼线性系统，它对阶跃压力信号的响应为振幅衰减至稳定输出 的振荡信号。因为激波管产生的激波是近似理想的阶跃压力信号，可用于压力传感器时 域动态校准【3 6 1 。激波管校准传感器的动态特性是通过激波管内的激波激励出传感器的振 荡特性，得出传感器的谐振频率吼，由其谐振的衰减段可计算出阻尼系数f ，从而可以 求出二阶系统的特征方程，得到它的响应特性。 在实验中我们把序列号为1 2 0 8 4 0 1 的传感器和序列号为1 2 4 0 9 2 5 的电荷放大器配套 使用，称为c h 0 通道；序列号为1 2 0 8 4 0 2 的传感器和序列号为11 2 2 3 3 1 的电荷放大器配 套使用，称为c h l 通道；序列号为1 2 0 8 4 0 4 和序列号为11 2 2 3 3 9 的电荷放大器配套使用， 称为c l t 3 通道。上述传感器和电荷放大器一直严格配套使用，利用上节所述方法，用激 18 中北大学学位论文 波管测得三个标准传感器的固有频率石和阻尼比系数磊如下所示。 z 2 0 8 4 0 l = 16 5 k h zz 2 0 0 2 = 16 3 k h zz 2 0 钳0 4 = 16 4 k h z 氧2 0 弘o l = 0 0 6f 1 2 0 8 4 0 2 = o 0 7矢2 0 5 4 0 4 = 0 0 6 下图分别是三个标准传感器的幅频特性和相频特性曲线，由图可知三个标准传感器 的频谱曲线在0 _ - 5 0 k h z 的区间比较平直，而射孔压裂信号的脉宽为m s 级，频率主要 集中在l k h z 以下。p t 测试仪上所用的h k m 3 7 5 压阻传感器的固有频率大约为3 5