煤层气井煤粉浓度井下测量模块的设计

陈家林，向　威

(武汉工程大学电气信息学院　湖北　武汉　430205)



·开发设计·

煤层气井煤粉浓度井下测量模块的设计

陈家林，向威

(武汉工程大学电气信息学院湖北武汉430205)

摘要：为实现对煤粉浓度的实时监控，设计了一种具备周期性准确检测煤粉浓度功能，同时将采集数据上传至地面控制平台的井下煤粉浓度测量装置。井下测量装置选用微控制器STM32F103作为控制平台，通过采集传感器数据，反馈控制传感器驱动电路，实现传感器模块的多档位控制。同时设计反馈温度补偿电路，实现煤粉浓度的准确测量，从而实现地面控制终端或者远程终端对井下测量模块的参数设置以及测量数据的实时读取。通过煤粉精度测量实验得到检测值与实际煤粉浓度值的误差低于0.5×10-2，满足了设计要求。

关键词：煤粉浓度;反馈控制;温度补偿

0引言

在煤层气水平井开采过程中，煤层气绝大部分以吸附的方式存储在碳基质中，需要降低储藏压力才能使煤层气解吸[1]。通过排放煤层水，控制井下压力，实现气体的开采。在排采过程中煤粉颗粒会随着煤层气、水进入生产直井井筒，据统计当煤粉浓度小于1%，生产井安全；煤粉浓度1%～3%，生产井存在卡泵危险；煤粉浓度高于3%，生产井卡泵危险性高[2]。所以在井下的排采过程中，对煤粉浓度的实时监测显得十分重要。

煤层气煤粉浓度测量系统由井下测量模块、地面终端、数据传输单元和远程控制终端构成，井下测量模块是整个系统的底层，主要实现井下煤粉浓度的测量，同时将测量的数据经串口通信传送至地面终端，地面终端是远程终端与井下底层设备的通信枢纽，通过数据传输单元(Transfer Data Unit，以下简称DTU)实现数据交互，数据在远程终端进行存储分析。煤层气煤粉浓度的准确测量是实现系统稳定工作的关键，因此需要设计一套便于安装使用的井下测量模块以满足现场需要。

1井下测量模块的系统结构与硬件电路

井下测量模块系统结构组成如图1所示。

图1　井下测量模块系统框架图

井下测量模块的核心控制器为STM32F103。STM32F103系列是意法半导体设计的使用ARM Coretex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器的微型控制器[3]。STM32F103能适应于-40℃～+105℃的温度范围，能满足一般煤层气井井下30℃～60℃温度范围。

传感器驱动电路是由控制器控制的模拟开关电路，模拟开关使用单8通道数字控制模拟电子开关CD4051，CD4051有A、B和C三个二进制控制输入端及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。通过开关选择合适匹配阻抗，实现传感器驱动电流的控制。传感器驱动电路如图2所示。

图2　传感器驱动电路

传感器驱动电路输出电压如方程(1)所示，其中RL表示模拟开关输出端电阻，RON表示CD4051的漏源阻抗，R1如图2所示。漏源阻抗RON会随温度而变化，引起输出电压U1的误差，在井下温度范围内，RON典型值为470 Ω，最大值是1 050 Ω，选定合适的RL和R1阻值大小，输出电压误差低于1%，可以满足设计需求。

(1)

传感器模块主要由频率匹配的红外发射、接受光电管和运放组成，红外对管DS1与运放UC1构成闭路电路，红外对管DS2开路测量煤粉浓度。由于红外发射管的电流驱动特性，在外界温度一定的条件下，驱动电流决定发射管的光通量大小。井下煤粉浓度测定范围在0～3%之间，驱动电流过高，测量低浓度煤粉溶液精度较差；驱动电流过低，测量相对高的浓度煤粉溶液误差较高，传感器驱动电路能实现驱动电流的多档位选择，满足煤粉浓度测量精度要求。

在驱动电流不变的条件下，外界温度的变化会影响红外发射管的工作特性，红外对管DS1和运放U1C构成的闭路电路实现驱动电流的恒流补偿，采用反馈式温度补偿法[4]能取得很好的温度补偿效果，传感器模块电路如图3所示。

图3　传感器模块电路

2井下测量模块软件设计

井下测量模块软件系统由多个任务组成，如图4所示。

图4　系统任务框图

各任务实现功能如下:

1)采样周期设置任务：通过STM32F103芯片内置的嘀嗒定时器配置采样周期，使用Systick()中断实现定时采样任务。

2)Modbus从站通信任务：Modbus通信总是由主站发起。从站没有收到来自主站的请求时，不会发送数据[5]。通过设计Modbus读写寄存器任务，实现主站与从站(井下测量模块)的通信功能。

3)传感器模拟信号采样任务：该任务执行采样信号保存运算子任务和反馈控制传感器驱动子任务。通过ADC1通道，对红外接收管的电信号进行模拟信号至数字信号的转换，采集信号保存运算任务将采集值代入电压-煤粉浓度运算多项式得到相应的煤粉浓度大小；反馈控制传感器驱动任务通过查询AD采样的信号大小，控制传感器驱动电路输出电流档位，保证不同浓度煤粉溶液的测量精度。井下测量模块采样流程如图5所示。

图5　采样流程图

3实验结果及分析

为了验证井下测量模块测量煤粉浓度的准确性，调配浓度为0～4%的煤粉溶液，通过C#编写的井下测量模块上位机软件读取接收管负载端电压以及运算处理后的煤粉浓度，检验煤粉浓度测量准确性。井下测量模块上位机软件显示界面如图6所示。

煤粉浓度测量精度实验对五组煤粉溶液进行了检测，上位机读取数据见表1。煤粉样品实际浓度和煤粉浓度计算误差小于，满足测量精度要求。

4结语

笔者设计的煤粉浓度井下测量模块通过采集传感器数据，反馈调制传感器驱动电路，实现了传感器模块的多档位控制，保证了采集信号的准确性。传感器模块利用温度补偿技术能保证测量装置适应于井下复杂的温度环境。通过远程终端设置井下测量模块采集周期，同时实时读取测量浓度，能够满足煤层气气井煤粉浓度测量系统对底层数据采集的基本要求，达到了设计的目的。

图6　上位机界面

样品编号煤粉样品浓度/%传感器采样电压/V煤粉浓度计算值/%示值相对误差/%10.39263.42690.39190.178320.65913.12600.65830.121431.36502.23531.36440.044042.73561.22652.73490.255653.53550.95233.53470.2260

参 考 文 献

[1] 叶建平. 中国煤层气勘探开发进展综述[J].地质通报,2006,25(9):1074-1078.

[2] 刘升贵,贺小黑,李惠芳,等. 煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(4):508-512.

[3] 李宁. 基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008：10-13.

[4] 朱灿焰. 光电隔离电路中的温度补偿方法[J].电子技术(上海),1997,24(12):25-28.

[5] 华镕. 从Modbus到透明就绪[M].北京:机械工业出版社,2009:34-81.

Design of Pulverized Coal Concentration of Coalbed Methane Down-hole Measurement Module

CHEN Jia lin , XIANG Wei

(CollegeofElectricalInformationofWuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Abstract：To achieve real time monitoring of pulverized coal concentration，a down-hole pulverized coal concentration measurement equipment with the function of detecting periodically is designed, which can upload the collected data to the ground terminal. The microcontroller STM32F103 was selected as the control platform in the equipment. The collected sensor data is sent to control drive circuit of sensor to realize multi-position control of the sensor-integrated module. A temperature feedback compensation circuit is designed to achieve the accurate measurement of pulverized coal concentration and an real-time data reading of ground terminal or remote terminal to parameter settings of down-hole detecting module. The test result shows that the relative error between the detection value of pulverized coal precision measurement experiment and practically pulverized coal concentration is below 0.5×10-2, which meet the design requirement.

Key words：pulverized coal concentration; feedback control; temperature compensation

(收稿日期：2015-10-10编辑：韩德林)

中图法分类号：TP273.5

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)02-0004-03

第一作者简介：陈家林， 男，1962年生，副教授，1982年毕业于武汉理工大学物理专业，现在武汉工程大学从事教学及科研工作。E-mail：cjltch@163.com