气井参数检测系统

何亚平 秦晓明 贵州理工学院 焦作师范高等专科学校

气井参数检测系统

何亚平1秦晓明21贵州理工学院 2焦作师范高等专科学校

为了实现数字化、智能化油气田建设，针对油气井口参数进行检测，设计了一种基于FPGA的油气井参数检测系统。系统通过采用多种传感器可以实现气井参数的检测，利用FPGA作为主控处理器实现了采集后数据的预处理，并利用无线传感器网络技术进行无线数据的传输。本系统设计中采用了FPGA，其具有可编程性、设计灵活的特点，丰富的I/O接口可满足大量传感器的检测与控制，可扩展性强。ZigBee网络技术的应用，使得整个系统具有分布性广的特点，适合于油气田系统应用。

气井参数；多传感器；FPGA；无线传感器网络技术

数字化油气田建设在现代油气田管理中具有重要的现实意义，开展数字化、智能化油气田监测与管理，一方面降低了人力资源的耗费，另一方面提高了油气田开采的效率。

为了实现数字化、智能化油气田建设，针对油气井口参数进行检测，设计了一种基于FPGA（现场可编程逻辑阵列）的油气井参数检测系统。

1 总体设计

目前气井参数检测系统主要可以实现油温、油压、位移、温度、湿度等参数的检测[1]。分别采用不同种类的传感器实现非电量到电量的转换，采用信号调理电路调整电量信号满足后端ADC输入信号的要求，利用ADC实现模拟量到数字量的转换，并将数字量送到FPGA中实现预处理。FPGA控制无线数据传输模块实现气井参数的无线传输，上报到数据终端。气井参数检测系统具体结构设计如图1所示。

气井参数检测系统主要包括多路传感器电路、信号调理电路、ADC电路、FPGA电路、电源电路以及无线数据传输电路。

图1 气井参数检测系统结构设计

2 硬件电路设计

2.1 多传感器电路设计

（1）温湿度传感器电路。温湿度传感器电路采用了温湿度一体传感器SHT11，该传感器是瑞士Sensirion公司生产的一款将温湿度检测、信号变换、A/D转换等功能集成到一体的芯片。利用温度敏感元件、湿度敏感元件将温度和湿度转换成电信号后进行微弱信号的放大，然后利用14位的A/D转换器实现模数转换[2]。其输出接口采用二线串行数字接口输出数字信号。

（2）位移传感器电路。本设计中位移传感器电路采用了美国生产的MEMS微机电加速度传感器芯片，该芯片可将被测物的振动加速度转换为各种标准电气信号，可用于军用、民用等多个行业[3]。

（3）油压力传感器电路。油压力传感器采用的是PTC301压力传感器/变送器，该传感器采用了德国进口弹性体原件以及先进的高精度应变设计，具有灵敏度高和稳定性好的特点，可广泛应用于工业设备、车辆制动、化工、医疗、供水等压力测量与控制[4]。

2.2 信号调理电路

信号调理电路采用了TI公司的仪用放大器INA114实现微弱信号的放大。INA114是一种通用仪用放大器，该仪器的芯片只需一个外部电阻就可以设置1～10 000之间的任意增益值，INA114采用8引脚塑料封装或SOL—16表面封装贴件，具有尺寸小、精度高等特点，适用于在各类数据采集、医疗仪器中使用。

2.3 FPGA及其外围电路

FPGA控制器选择了Altera公司芯片EP2C8Q208C8，该芯片是CycloneⅡ芯片系列中的一款，具有可扩展性强、高性能、低成本、低功耗等优点。EP2C8Q208C8芯片内部具有18个18Bit× 18Bit的嵌入式乘法器、两个PLL模块、8 256个逻辑单元（LE），具有182个可以供用户使用的I/O口、36个M4K RAM块，可基本满足系统的需求[5]。

2.4 电源电路

系统电源电路设计的输入电压+5 V，通过DC插座引入。由于FPGA的供电电压采用了+3.3 V和+ 1.2 V两种，因此需要电源模块实现电压转换。电源滤波采用了钽电容，可有效地滤除引入电源的尖峰脉冲。其中LT1764AEQ实现+5 V到+3.3 V的电压转换，AMS1117—ADJ实现+5 V到+1.2 V的电压转换。

2.5 无线数据传输电路

系统无线数据传输电路采用了ZigBee网络无线射频收发器，该收发器可以实现无线数据传输，其芯片型号为CC2420。CC2420芯片是CHIPCON公司在2003年底推出的一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4的无线收发芯片。传输距离最大200 m，码片速率达2 Mchip/s，数据速率达250 kbps[6]。该芯片通过FPGA实现对其配置，其与FPGA接口采用SPI接口方式。

3 结论

采用了传感器技术、FPGA技术以及无线数据传输技术，设计了一种基于FPGA的气井参数检测系统。该系统通过采用多种传感器可以实现气井参数的检测，利用FPGA作为主控处理器实现了采集后数据的预处理，并利用无线传感器网络技术进行了无线数据的传输。本系统设计中采用了FPGA，其具有可编程性、设计灵活的特点，丰富的I/O接口可满足大量传感器的检测与控制，可扩展性强。ZigBee网络技术的应用，使得整个系统具有分布性广的特点，适合于油气田系统应用。因此，该系统的设计在推广数字化、智能化油气田建设方面具有一定的参考价值及应用价值。

[1]万志平，金永敏，杨亦红．基于ZigBee的无线数据釆集系统的设计[J]．信息技术，2009（9）：22-55.

[2]王金旗，孟金焕，纪常杰．智能井系统——发展现状与趋势[J]．国外油田工程，2004，20（2）：37-39．

[3]孙善超．无线传感器网络在油气井远程监测系统中的应用[J]．贵州大学学报：自然科学版，2008，25（2）161-164.

[4]窦洪恩．当今世界上最新的石油技术[J]．石油矿场机械，2003，32（2）：1-4．

[5]张芸薇．基于ZigBee无线传感网数据采集的设计与实现[D]．大连：大连理工大学，2007.

[6]林少锋，何一．基于CC2420的ZigBee无线网络节点设计[J]．电子设计工程，2009，17（3）：66-68.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.034