存储式高温压力计的设计

丁鹏飞

摘 要：在石油开采过程中，要求用于油井参数测量的压力计能长期可靠工作在100 ℃以上的高温环境。基于此，文章给出了选用先进的高温电子元器件进行硬件设计，以将井下的压力、温度通过传感器采集后，由处理器对采集的温度、压力数据进行处理并存储到存储器，同时通过数据读取接口由PC读取、显示，从而实现对井下压力和温度的采集。该方法设计的压力计可以长期稳定地工作在150℃的高温环境。

关键词：单片机；高温；温度采集；压力采集

中图分类号：TP216 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0063-03

0 引 言

在石油开采过程中，通过井下的温度、压力等传感器获取井下的生产信息，为优化生产过程、科学管理油井提供参数依据[1]。随着测井技术的深入发展，压力计在油气井井下进行压力测量中发挥着日益显著的作用[2]，得到了广泛的应用。由于国内用于油井测量的压力计与国外还有较大的差距，大部分市场被国外公司占领，因此，通过对测井压力计的研究分析，研制高可靠性、高性价比的压力计具有重要的意义和广阔的市场空间。

油井压力计的显著特点之一是工作于高温环境。加拿大金加公司的压力计分为100 ℃，120 ℃，150 ℃和177 ℃四种工作温度，且不同工作温度的压力计价格差异显著。因此，设计适合于我国油井测量的高温压力计对于打破国外高温压力计的垄断、降低油井测量成本具有十分重要的意义。

通过选择高温电子元器件进行硬件设计，本文设计了可在150 ℃环境下长期稳定工作的高温压力计。

1 系统总体结构

本存储式高温压力计的整体结构如图1所示，该压力计由压力信号采集电路、温度传感器采集分别对油井的压力和温度进行采集，采集到的温度和压力通过处理器处理后存储到存储器。该压力计在完成油井的压力、温度测量返回地面后，将存储的温度、压力数据传输到数据处理中心的PC机进行数据的处理、分析和显示。

图1 存储式高温压力计的总体结构

2 压力计硬件设计

压力计的硬件电路包括温度采集电路、压力采集电路、数据存储电路和数据传输电路。温度采集电路和压力采集电路分别实现油井温度和压力的采集，数据存储电路实现温度、压力数据的实时存储，而数据传输电路实现压力计数据向数据处理中心上传数据。

2.1 处理器的选择

考虑到该压力计工作于高温环境，为保证压力计可靠工作，包括CPU在内的压力计元件选择必须符合SOI工艺的高温器件[3]。目前能工作于150 ℃高温环境的CPU主要有TI公司MSP系列的16位单片机MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD[4]，Microchip公司的DSPPIC33FJ系列单片机，以及可工作于225 ℃高温环境的Honeywell公司的HT83C51单片机。由于压力计的供电采用高温电池供电，因此低功耗将是处理器选择的重要因素之一。由于TI公司的MSP430F2619SPM、MSP430F2619KGD1处理器具有最低的功耗，所以本文的设计采用MSP430F2619SPM单片机作为压力计的处理器。

2.2 压力信号采集电路

在综合考虑油井的温度和压力后，选择一种油井专用压力传感器，该压力传感器可工作于温度-40 ～150 ℃，量程为60 Mpa，精度为±0.1%FS，输出采用2线差分输出。由于压力传感器的输出信号是毫伏级的模拟信号，所以要对输出信号进行放大处理，然后再通过处理器自带的A/D转换器进行转换，其电路如图2所示。

在图2所示的压力采集电路中，压力传感器所输出的模拟信号，经两级放大后，由U7的7脚输出，即Out2。Out2连接到单片机的模/数转换的输入端，实现压力信号的采集。

图2 压力信号采集电路原理图

2.3 温度采集电路

DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器由于采用小体积封装，温度测量范围为-55 ～125 ℃，在温度测量系统中得到了广泛的应用[5-7]。在高于125 ℃温度环境实现温度测量的常用办法是利用热电偶或铂电阻的阻抗随温度变化的特点。针对压力计体积受限的特点，本设计选择ADT7310温度传感器。该温度传感器具有13位或16位可选的温度到数字信号的转换器，测量范围为-55 ～150 ℃，且功耗低。利用ADT7310进行温度测量的硬件电路如图3所示。

图3 温度采集电路原理图

2.4 数据存储电路

当压力计在井下工作时，可将测量的井下压力和温度存储在存储器，在仪器返回地面后读取。本压力计采用Microchip公司的25LC256作为系统的存储芯片，该芯片工作温度为-40～150 ℃。数据存储电路电路图如图4所示。

2.5 数据传输电路

在单片机系统中，通常用串口方式实现数据传输。压力计的数据通常会在野外通过笔记本读取，然而，大多数笔记本只支持USB接口读取数据，因此，本文采用单芯片USB转UART的桥接器CP2102[8]来实现对压力计数据的传输，其数据传输电路图如图5所示。

图4 数据存储电路原理图

图5 数据传输电路原理图

3 压力计的软件设计

压力计软件由压力计部分（下位机）和地面部分（上位机）组成。为增强软件的可移植性和灵活性，软件的设计采用模块化的设计思想。

3.1 下位机软件设计

下位机软件由系统初始化、压力采集、温度采集、数据存储和数据发送等模块组成。压力采集模块根据上位机设定的采样速率采集压力信号；温度采集模块设定ADT7310传感器的转换精度，并读取温度值；数据存储模块将压力值和温度值存储至存储器；上传数据模块将压力、温度数据传输给上位机。下位机软件流程图如图6所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件由压力计参数设置部分和数据读取部分组成。参数设置部分用于设置压力计的工作参数，采样速率设置模块设置压力计的压力和温度的采样速率；温度精度设置模块设置温度传感器的转换精度；油井信息设置模块设置油井名称、测试深度等相关信息；日期设置信息模块设置压力开始采样的日期信息。接收上传数据模块接收下位机上传的数据信息；数据处理模块处理下位机上传的数据信息，并将处理后的压力、温度数据以图形的方式显示。上位机软件流程图如图7所示。

图6 下位机软件流程图 图7 上位机软件流程图

4 结 语

本油井存储式高温压力计的硬件主要基于可工作于高温环境的高温器件设计，可长时间工作于高温环境。该压力计的设计方案具有结构简单、可靠性高、数据读取方便等优点，能实现高温油井下的压力、温度参数的采集。将该压力计用于高温油井的温度、压力测量，效果良好，具有较强的推广价值。

参 考 文 献

[1] 肖述琴，陆军斌，屈展.智能完井综合系统[J].西安石油大学学报：自然科学版，2004，19（2）：37-40.

[2] 胡长岭，张华，张鹏，等. 测井压力计高精度实现方法研究[J].石油仪器，2009，23（2）：51-53.

[3] 任晓荣，王利宁.下井仪元器件筛选及整体温度试验方法[J]. 石油仪器，2006，16（3）：12-14.

[4] 洪利，章扬，李世宝. MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5] 张磊，史云，赵学亮. 基于单片机的温度检测系统设计[J]. 煤炭技术，2011（6）：39-41.

[6] 夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术，2013（2）：191-193.

[7] 江杰，李计川. 基于DS18B20的高精度温度测量系统在高炉上的应用[J].传感器与微系统，2012，31（11）：144-146，152.

[8] 郝毫毫，陈家林，熊俊俏. 基于虚拟COM口的无线收发器设计及实现[J].测控技术，2010，29（11），79-81.

Design of high temperature pressure gauge with storage data

DING Peng-fei

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China）

Abstract： In oil exploitation， the pressure gauge for oil well parameter measuring instrument must guarantee its long-term reliability works in high temperature environment over 100℃. On this basis the hardware design with advanced high temperature electr-onic components is provided. After the pressure and temperature signal being sampled by sensors， it would be processed and saved by microprocessor and saved. The stored data is read and displayed by PC through data read port， thus to realize the underground actuation of pressure and temperature data. The pressure gauge designed by the method can steadily work in the temperature of 150 ℃ for long period.

Keywords： MCU； high temperature； pressure acquisition； temperature acquisition

3.2 上位机软件设计

上位机软件由压力计参数设置部分和数据读取部分组成。参数设置部分用于设置压力计的工作参数，采样速率设置模块设置压力计的压力和温度的采样速率；温度精度设置模块设置温度传感器的转换精度；油井信息设置模块设置油井名称、测试深度等相关信息；日期设置信息模块设置压力开始采样的日期信息。接收上传数据模块接收下位机上传的数据信息；数据处理模块处理下位机上传的数据信息，并将处理后的压力、温度数据以图形的方式显示。上位机软件流程图如图7所示。

图6 下位机软件流程图 图7 上位机软件流程图

4 结 语

本油井存储式高温压力计的硬件主要基于可工作于高温环境的高温器件设计，可长时间工作于高温环境。该压力计的设计方案具有结构简单、可靠性高、数据读取方便等优点，能实现高温油井下的压力、温度参数的采集。将该压力计用于高温油井的温度、压力测量，效果良好，具有较强的推广价值。

参 考 文 献

[1] 肖述琴，陆军斌，屈展.智能完井综合系统[J].西安石油大学学报：自然科学版，2004，19（2）：37-40.

[2] 胡长岭，张华，张鹏，等. 测井压力计高精度实现方法研究[J].石油仪器，2009，23（2）：51-53.

[3] 任晓荣，王利宁.下井仪元器件筛选及整体温度试验方法[J]. 石油仪器，2006，16（3）：12-14.

[4] 洪利，章扬，李世宝. MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5] 张磊，史云，赵学亮. 基于单片机的温度检测系统设计[J]. 煤炭技术，2011（6）：39-41.

[6] 夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术，2013（2）：191-193.

[7] 江杰，李计川. 基于DS18B20的高精度温度测量系统在高炉上的应用[J].传感器与微系统，2012，31（11）：144-146，152.

[8] 郝毫毫，陈家林，熊俊俏. 基于虚拟COM口的无线收发器设计及实现[J].测控技术，2010，29（11），79-81.

Design of high temperature pressure gauge with storage data

DING Peng-fei

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China）

Abstract： In oil exploitation， the pressure gauge for oil well parameter measuring instrument must guarantee its long-term reliability works in high temperature environment over 100℃. On this basis the hardware design with advanced high temperature electr-onic components is provided. After the pressure and temperature signal being sampled by sensors， it would be processed and saved by microprocessor and saved. The stored data is read and displayed by PC through data read port， thus to realize the underground actuation of pressure and temperature data. The pressure gauge designed by the method can steadily work in the temperature of 150 ℃ for long period.

Keywords： MCU； high temperature； pressure acquisition； temperature acquisition

3.2 上位机软件设计

上位机软件由压力计参数设置部分和数据读取部分组成。参数设置部分用于设置压力计的工作参数，采样速率设置模块设置压力计的压力和温度的采样速率；温度精度设置模块设置温度传感器的转换精度；油井信息设置模块设置油井名称、测试深度等相关信息；日期设置信息模块设置压力开始采样的日期信息。接收上传数据模块接收下位机上传的数据信息；数据处理模块处理下位机上传的数据信息，并将处理后的压力、温度数据以图形的方式显示。上位机软件流程图如图7所示。

图6 下位机软件流程图 图7 上位机软件流程图

4 结 语

本油井存储式高温压力计的硬件主要基于可工作于高温环境的高温器件设计，可长时间工作于高温环境。该压力计的设计方案具有结构简单、可靠性高、数据读取方便等优点，能实现高温油井下的压力、温度参数的采集。将该压力计用于高温油井的温度、压力测量，效果良好，具有较强的推广价值。

参 考 文 献

[1] 肖述琴，陆军斌，屈展.智能完井综合系统[J].西安石油大学学报：自然科学版，2004，19（2）：37-40.

[2] 胡长岭，张华，张鹏，等. 测井压力计高精度实现方法研究[J].石油仪器，2009，23（2）：51-53.

[3] 任晓荣，王利宁.下井仪元器件筛选及整体温度试验方法[J]. 石油仪器，2006，16（3）：12-14.

[4] 洪利，章扬，李世宝. MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5] 张磊，史云，赵学亮. 基于单片机的温度检测系统设计[J]. 煤炭技术，2011（6）：39-41.

[6] 夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术，2013（2）：191-193.

[7] 江杰，李计川. 基于DS18B20的高精度温度测量系统在高炉上的应用[J].传感器与微系统，2012，31（11）：144-146，152.

[8] 郝毫毫，陈家林，熊俊俏. 基于虚拟COM口的无线收发器设计及实现[J].测控技术，2010，29（11），79-81.

Design of high temperature pressure gauge with storage data

DING Peng-fei

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China）

Abstract： In oil exploitation， the pressure gauge for oil well parameter measuring instrument must guarantee its long-term reliability works in high temperature environment over 100℃. On this basis the hardware design with advanced high temperature electr-onic components is provided. After the pressure and temperature signal being sampled by sensors， it would be processed and saved by microprocessor and saved. The stored data is read and displayed by PC through data read port， thus to realize the underground actuation of pressure and temperature data. The pressure gauge designed by the method can steadily work in the temperature of 150 ℃ for long period.

Keywords： MCU； high temperature； pressure acquisition； temperature acquisition