引言

在石油開采過程中，通過井下的溫度、壓力等傳感器獲取井下的生產(chǎn)信息，為優(yōu)化生產(chǎn)過程、科學(xué)管理油井提供參數(shù)依據(jù)叫隨著測井技術(shù)的深入發(fā)展，壓力計(jì)在油氣井井下進(jìn)行壓力測量中發(fā)揮著日益顯著的作用，得到了廣泛的應(yīng)用。由于國內(nèi)用于油井測量的壓力計(jì)與國外還有較大的差距，大部分市場被國外公司占領(lǐng)，因此，通過對(duì)測井壓力計(jì)的研究分析,研制高可靠性、高性價(jià)比的壓力計(jì)具有重要的意義和廣闊的市場空間。

油井壓力計(jì)的顯著特點(diǎn)之一是工作于高溫環(huán)境。加拿大金加公司的壓力計(jì)分為100°C,120°C,150。。和177°C四種工作溫度，且不同工作溫度的壓力計(jì)價(jià)格差異顯著。因此，設(shè)計(jì)適合于我國油井測量的高溫壓力計(jì)對(duì)于打破國外高溫壓力計(jì)的壟斷、降低油井測量成本具有十分重要的意義。

通過選擇高溫電子元器件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了可在150C環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的高溫壓力計(jì)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本存儲(chǔ)式高溫壓力計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該壓力計(jì)由壓力信號(hào)采集電路、溫度傳感器采集分別對(duì)油井的壓力和溫度進(jìn)行采集，采集到的溫度和壓力通過處理器處理后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器。該壓力計(jì)在完成油井的壓力、溫度測量返回地面后,將存儲(chǔ)的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心的PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示。

2壓力計(jì)硬件設(shè)計(jì)

壓力計(jì)的硬件電路包括溫度采集電路、壓力采集電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和數(shù)據(jù)傳輸電路。溫度采集電路和壓力采集電路分別實(shí)現(xiàn)油井溫度和壓力的采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)溫度、壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)傳輸電路實(shí)現(xiàn)壓力計(jì)數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)處理中心上傳數(shù)據(jù)。

2.1處理器的選擇

考慮到該壓力計(jì)工作于高溫環(huán)境，為保證壓力計(jì)可靠工作，包括CPU在內(nèi)的壓力計(jì)元件選擇必須符合SOI工藝的高溫器件叫目前能工作于150C高溫環(huán)境的CPU主要有TI公司MSP系列的16位單片機(jī)MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD^[4],Microchip公司的DSPPIC33FJ系列單片機(jī)，以及可工作于225C高溫環(huán)境的Honeywell公司的HT83C51單片機(jī)。由于壓力計(jì)的供電采用高溫電池供電，因此低功耗將是處理器選擇的重要因素之一。由于TI公司的MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD1處理器具有最低的功耗，所以本文的設(shè)計(jì)采用MSP430F2619SPM單片機(jī)作為壓力計(jì)的處理器。

2.2壓力信號(hào)采集電路

在綜合考慮油井的溫度和壓力后，選擇一種油井專用壓力傳感器，該壓力傳感器可工作于溫度一40?150°C,量程為60Mpa,精度為±0.1%FS,輸出采用2線差分輸出。由于壓力傳感器的輸出信號(hào)是毫伏級(jí)的模擬信號(hào)，所以要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后再通過處理器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其電路如圖2所示。

在圖2所示的壓力采集電路中，壓力傳感器所輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)放大后，由U7的7腳輸出，即Out2。Out2連接到單片機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的采集。

2.3溫度采集電路

DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器由于采用小體積封裝，溫度測量范圍為－55～125℃，在溫度測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在高于125℃溫度環(huán)境實(shí)現(xiàn)溫度測量的常用辦法是利用熱電偶或鉑電阻的阻抗隨溫度變化的特點(diǎn)。針對(duì)壓力計(jì)體積受限的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇ADT7310溫度傳感器。該溫度傳感器具有13位或16位可選的溫度到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，測量范圍為－55～150℃，且功耗低。利用ADT7310進(jìn)行溫度測量的硬件電路如圖3所示。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

當(dāng)壓力計(jì)在井下工作時(shí)，可將測量的井下壓力和溫度存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器，在儀器返回地面后讀取。本壓力計(jì)采用Microchip公司的25LC256作為系統(tǒng)的存儲(chǔ)芯片，該芯片工作溫度為－40～150℃。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路電路圖如圖4所示。

2.5數(shù)據(jù)傳輸電路

在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用串口方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。壓力計(jì)的數(shù)據(jù)通常會(huì)在野外通過筆記本讀取，然而，大多數(shù)筆記本只支持USB接口讀取數(shù)據(jù)，因此，本文采用單芯片USB轉(zhuǎn)UART的橋接器CP2102來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸電路圖如圖5所示。

3壓力計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

壓力計(jì)軟件由壓力計(jì)部分（下位機(jī)）和地面部分（上位機(jī)）組成。為增強(qiáng)軟件的可移植性和靈活性，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件由系統(tǒng)初始化、壓力采集、溫度采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊組成。壓力采集模塊根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的采樣速率采集壓力信號(hào)；溫度采集模塊設(shè)定ADT7310傳感器的轉(zhuǎn)換精度，并讀取溫度值；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將壓力值和溫度值存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器；上傳數(shù)據(jù)模塊將壓力、溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。下位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由壓力計(jì)參數(shù)設(shè)置部分和數(shù)據(jù)讀取部分組成。參數(shù)設(shè)置部分用于設(shè)置壓力計(jì)的工作參數(shù)，采樣速率設(shè)置模塊設(shè)置壓力計(jì)的壓力和溫度的采樣速率；溫度精度設(shè)置模塊設(shè)置溫度傳感器的轉(zhuǎn)換精度；油井信息設(shè)置模塊設(shè)置油井名稱、測試深度等相關(guān)信息；日期設(shè)置信息模塊設(shè)置壓力開始采樣的日期信息。接收上傳數(shù)據(jù)模塊接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息，并將處理后的壓力、溫度數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示。上位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

4結(jié)語

本油井存儲(chǔ)式高溫壓力計(jì)的硬件主要基于可工作于高溫環(huán)境的高溫器件設(shè)計(jì)，可長時(shí)間工作于高溫環(huán)境。該壓力計(jì)的設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、數(shù)據(jù)讀取方便等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)高溫油井下的壓力、溫度參數(shù)的采集。將該壓力計(jì)用于高溫油井的溫度、壓力測量，效果良好，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。