石英压力传感器自动标定技术研究

支宏旭,余强,薛永增,秦小飞

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院, 河北 三河 065201)

0 引 言

地层测试器通过获取地层原始压力和注采过程中地层压力变化的信息[1],给油藏储层评价和勘探开发方案的制定提供必要的基础数据。因地层流体高温高压的特点(温度可达204 ℃,压力138 MPa),地层测试器的设计一般采用高精度宽量程的石英压力传感器[2]。

宽温度范围(20～204 ℃)制约着压力传感器的精度,要求石英压力传感器标定中进行温度补偿。陈敏[3]设计了一种0～100 ℃的石英压力传感器温度补偿算法,实现了井下压力传感器0.05级精度校准。张辉等[4]应用Matlab实现了石英压力仪器的温度系数拟合算法,节省了大量返厂标定成本。杨俊科等[5]总结了地层测试压力传感器的发展历程与标定方法。本文设计了石英压力传感器的标定模型和标定装置,实现了标定全过程自动化,可进行宽温度范围(25～200 ℃)的温度补偿,减小温度对压力测量精度的影响,分析了标定设计、标定结果,并讨论了标定系统进一步优化方向。

1 石英压力传感器标定模型

本文所设计的标定装置可对20～200 ℃、0.1～138 MPa测量范围的石英压力传感器进行标定。某传感器压力不确定度为±0.02%FS(±3.2 psi[注]非法定计量单位,1 psi=6 894.757 Pa,下同);压力分辨率小于0.01 psi;温度精度为±0.5 ℃;温度分辨率小于0.005 ℃;压力测量最大值为16 000 psi;温度测量最大值175 ℃。该传感器含3个晶体,分别是压力晶体、温度补偿晶体和参考晶体。参考晶体振荡频率温度敏感性差,几乎不受温度影响,给压力晶体、温度补偿晶体计算频率值提供参考。传感器调理电路处理晶体的频率值,经过计算将频率值转变为压力和温度值,通过IIC总线直接输出。标定采用的数学模型为

p=T0+T1X+T2X2+T3X3

(1)

T0=C00+C01Y+C02Y2+C03Y3

(2)

T1=C10+C11Y+C12Y2+C13Y3

(3)

T2=C20+C21Y+C22Y2+C23Y3

(4)

T3=C30+C31Y+C32Y2+C33Y3

(5)

式中,p为压力测量值;X为压力晶体的频率值;Y为温度补偿晶体的频率值;Ti为温度补偿系数(i=0,1,2,3);Cij为标定系数(i,j=0,1,2,3)。标定的过程,就是施加一系列标准环境温度和压力载荷,通过公式(2)～(5)计算出Cij(i,j=0,1,2,3),通过IIC总线将标定获取的校准系数,读入传感器调理电路中。井下工作温度范围较大(20～200 ℃,甚至更宽)时,应用公式(1)～(5)计算出温度补偿系数,补偿温度变化对传感器精度的影响。

2 石英压力传感器自动标定装置设计

石英压力传感器自动标定装置由压力加载模块、恒温箱和上位机软件等组成(见图1)。压力加载装置通过15 MHz标准压力氮气瓶经减压阀产生0.7 MHz氮气源给砝码系统供气,上位机软件经过USB总线、集线器、BUS-I总线与压力源FPG7302通信,后者控制FLUKE砝码自动加载装置AMH-100,压力源FPG7302综合AMH-100、气压计和自身测量到的压力值,通过补偿算法获取最终加载到传感器上的真实压力值,加载压力值范围14.5～20 000 psi,典型测量不确定度约±0.002 4 psi,远远小于典型石英压力传感器±3.2 psi的测量不确定度。砝码自动加载装置AMH-100加载的压力流体经过分流装置可同时加载4路石英压力传感器,液压系统采用硅油传递压力。上位机PC通过集线器、传感器采集卡与温箱中的传感器通信,可以实时读取传感器压力值、温度值、刻度校准系数、传感器编号等参数,标定装置可以同时与4路石英压力传感器通讯。上位机PC通过集线器、BUS-II与温箱通信,控制后者提供25～200 ℃的恒温环境,温箱内的温度稳定性<0.25 ℃,满足标定技术要求。

上位机软件实现了传感器刻度自动化,操作人员只需完成安装传感器、设置刻度参数等工作,其他工作可以全部交给软件自动完成。传感器标定系统基本操作流程见图2。自动标定系统实现了标定过程压力源压力值的施加、恒温箱温度的控制、传感器的读数、标定报告的生成和标定系数写入传感器等系列操作。

图1 石英压力传感器标定装置结构图

图2 基本操作流程

3 标定设计和结果分析

3.1 标定过程与参数设计

石英压力传感器标定过程和标定参数设计,直接影响校准结果的准确性。本文参考国家标准SY/T5692—2016《电缆式地层测试器作业技术规范》[6]和传感器原厂刻度指南和实测数据,设计了标定过程及其参数。

标定环境条件控制:温度稳定在20±1℃,湿度为45%～75% RH,大气压力稳定在14.5～15psi。

石英压力传感器标定过程:①安装石英压力传感器的油路、电路连接;②环境温度稳定在20±1℃,仪器预热30min以上;③启动温箱,加热至第一个标定温度点,温箱温度稳定时间至少40min,启动标准压力源,加载标准大气压,压力稳定1min后读取传感器数值,每秒读取1个数据,读取50个,取平均值作为最终结果,然后依次加载3200、6400、9600、12800、16000、14400、11200、8000、4800、1600、600psi的压力分别完成压力传感器读值。进而加温至55、85、115、145、175℃,分别完成每个温度点下的压力传感器读值;④根据压力源压力值、温箱温度值、传感器读数计算误差曲线与标定系数文件。如果误差曲线满足±0.02%的精度要求,则传感器精度得到验证,不许写入新标定系数文件。如果误差曲线精度超出±0.02%,则传感器写入新标定系数文件,重新验证。

3.2 标定结果分析

石英压力传感器标定的实验数据见图3。图3中,Teven为恒温箱温度, ℃,精度±0.1℃;Tsensor为石英压力传感器测量到的温度, ℃;psource为标准压力源通过油路加载到传感器上的压力值,psi;psensor为石英压力传感器测量到的压力,psi。图3记录了标定全程Teven、Tsensor、psensor、psource的变化情况,整个标定过程持续40000s,约11.1h。以55℃温度点的标定过程为例,图4记录了55℃温度的刻度过程,烘箱温度从35℃开始加温,约1000s,恒温箱温度达到稳定,传感器升温较慢,约40min后,传感器温度和烘箱温度非常接近,几乎不再发生变化,证明传感器和恒温箱环境达到了热平衡,这时恒温箱的温度波动非常。之后,标准压力源依照环境大气压力、3200、6400、9600、12800、16000、14400、11200、8000、4800、1600、600psi的顺序加载压力,当传感器压力与标准压力源的压力保持平衡1min之后,认为压力源的压力已经稳定加载到传感器受力元件之上,此时读取传感器压力值。实验数据证明,温度稳定时间40min,压力稳定时间1min是合理的,能够保证传感器和环境温度、压力载荷保持平衡。

图3 标定全程的温度压力曲线

图4 55 ℃标定点温度压力曲线

石英压力传感器标定的关键在于提供稳定的恒温环境和高精度的压力源,并设计合理的标定流程。图5记录了55℃标定点的恒温箱温度和石英压力传感器测量到的温度,由此可见,温箱温度和传感器测量到的温度都能稳定到±0.1℃,达到了传感器标定要求温度的稳定性,恒温环境效果良好。图6压力源施加6400psi载荷1min之后,传感器测量到的一段压力曲线,传感器在60s内测量到的压力波动小于0.4psi,这与传感器±3.2psi的不确定度相比已经是十分小的数值,压力源施加1min载荷足以使传感器压力达到稳定状态。传感器在压力源稳定的情况下,依然出现0.4psi/min的波动,这是因为传感器在液压的传递中,有波纹管在内的弹性元件,弹性元件在压力施加的过程中不可避免会产生蠕变,而同时期压力源的压力已经十分稳定。

图5 恒温箱温度稳定性

图6 传感器压力的稳定过程

石英压力传感器14.5psi/175℃点误差为0.023%,超出了传感器不确定度±0.02%,因此,将这些数据带入公式(1)～(5)计算出新的校准系数,写入传感器电路,重新实验,测试写入了新标定系数的传感器的不确定度,该传感器最大误差为0.01%,小于0.02%,达到了传感器的精度要求。

4 结 论

(1)叙述了一种石英压力传感器标定的数学模型,该模型补偿了温度变化对传感器精度的不利影响,适应了井下工作温度较宽的环境特性。

(2)设计了一套石英压力传感器自动标定装置。该装置应用恒温箱供恒温环境,温度不确定度±0.15℃,稳定性0.3℃,上限200℃。标准压力源精度,可施加压力载荷0～20000psi。该装置可用于标定(0～20000) psi/(20～200) ℃所涵盖量程的石英压力传感器,整个标定过程实现了自动化。

(3)设计了石英压力传感器标定的具体过程,并校准了传感器样本,实验结果表明,该自动标定装置达到了设计要求,且标定过程设计合理,成功标定了石英压力传感器样本。