综合录井仪流量传感器检定装置设计

吴春梅，董 鹏，张战胜，李富强，刘开绪，马骏驰

(1.大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712；2.大庆油田技术监督中心，黑龙江 大庆 163712；3.大庆油田录井公司，黑龙江 大庆 163411)

0 引 言

随着勘探工作的深入，为了适应海外钻井、外围钻井及“快速、高效”连续钻井的需要，对综合录井仪测量数据的准确性越来越重视，凸显传感器检定工作的重要性。(1)参见杨猛：《综合录井仪在现场工程监测方面的应用研究》，《中国新技术新产品》2019年第21期。大庆油田外围探区现有综合录井仪钻井平台40多台套，分布于新疆、海拉尔及海外。每套综合录井仪上有十几种三十多个传感器，其中靶式流量计传感器是钻井施钻过程中泥浆流量参数检测传感器，如上海神开石油化工装备股份有限公司的SK-8L03A泥浆出口流量计，其工作温度-40～+80℃，测量范围0～45°，输出信号4～20mA，测量精度5%，靶式流量计传感器检测到的电流信号反映钻井泥浆量。(2)参见崔峰、刘开绪、孙宇丹等：《一种角度变送器检定装置》，中国石油天然气集团公司、大庆石油管理局，ZL201720129888.8，2017年2月14日。

为解决录井设备不具备回迁条件的情况下，仍能够正常完成综合录井仪传感器年度检定工作，以适应现场检定传感器的需要，迫切需要研制现场检定装置。(3)参见吴春梅、刘开绪、赵勇等：《基于现场便携式绞车传感器检定装置的研究》，《电子制作》2018年第7期。(4)参见刘开绪、吴春梅、马骏驰等：《综合录井仪电导率传感器现场检定装置设计》，《仪表技术与传感器》2020年第6期。

1 整体设计

综合录井仪配套的靶式流量计是通过检测挡泥板与竖直方向所张开的角度变换成电流输出的变送器，其结构由保护壳体内部的电路部分、机械部分，外部可绕定轴摆动的挡泥板、挡泥板上的配重铁等部件构成。在没有泥浆冲击的情况下，挡泥板在配重铁的作用下呈现自然下垂状态。当把流量计安装在泥浆流动通道上，有泥浆冲击时，挡泥板便与竖直方向张开角度，角度大小反映着泥浆量。

由于靶式流量计输出的4～20mA电流信号是由挡泥板张开角度来决定的，所以首先要实现流量计挡泥板所张开角度的精准测量。靶式流量计的挡泥板转轴是隐藏在其保护壳体内部的，采用类似光码盘等传感器是难以实现同轴同步测量角度的。(5)参加熊静、罗志增：《一种膝关节角度测量及其校准方法》，《机电工程》2009年第12期。(6)参见王显军：《光电编码器的应用——分类源于角度测量基准》，《光机电信息》2010 年第10期。

为此，设计了图1的靶式流量计检定结构。

图1 流量计检定结构原理图 图2 装置实物图

选定磁吸附式的单轴数字输出型倾角传感器来测量角度，如SCA116T，显示器件选用SMI600显示器。动力拖杆是在步进电机减速机构的带动下沿着轨道运动的，轨道的两端有限位。见图2装置实物图。

把单轴数字输出型倾角传感器磁吸附在挡泥板上，在挡泥板竖直状态时调节角度传感器的零点值，保证角度传感器的零点值与靶式流量计的零点值同步。

器件的选择：RS-485集线器选择4口光电隔离工业级防雷1路转4路RS85分配器UT-5204，WIFI串口服务器选择USR-WIFI232-610。

2 控制系统设计

整个装置由检定测试装置和上位机组成，上位机通过WIFI无线通信控制测试装置，并与之交换数据。靶式流量计检定装置的电路原理图见图3。

以倾角传感器检测的角度作为标准角度，其测量范围是0～90°。在设定好角度传感器的零点值后，通过搬把开关KZD切换实现“自动”或“手动”工作模式。无论哪一种模式，只要靶式流量计角度发生变化，倾角传感器的角度值也随之变化。

图3 靶式流量计检定装置的电路原理图

手动检定是通过装置面板上的控制按钮控制步进电机控制器，实现动力拖杆拖动挡泥板摆动。倾角传感器输出的角度信号是通过RS232口连续发送的，为了实现数据的同步采集，选择MSP430F169-①单片机负责倾角传感器数据的暂存；靶式流量计输出的电流信号送给带通讯口的精密电流表进行显示的同时可以输出数据。单片机MSP430F169-②是核心，通过RS485集线器同步读取MSP430F169-①和精密电流表的数据，并把这一组数据按照协议规范暂存，在“发送确认”按钮AN的作用下，传送给WIFI串口服务器再进行无线发送，上位机接收这组数据。当各个检定点都测试完成后，只需在上位机上确认，即可进行误差分析、生成报表等。

自动检定状态是装置接收上位机的指令，然后去控制动力拖杆沿着轨道运动，以测量给定角度的数据。按照行业的检定标准，需要在待检传感器整个量程内进行有限点数的数据测试，如在上位机软件上选取7点数据进行测试。上位机程序中的参数一旦设定完成并运行程序，上位机每发送一个检定点的给定值到MSP430F169-②单片机，通过RS485集线器读取一组数据。当最后一个检定点检定结束后，上位机发出蜂鸣提示音。

倾角传感器输出的数据通过MSP430F169-①单片机单元来实现数据暂存，单片机①的程序流程图见图4。在手动模式下，“发送确认”按钮通过核心单片机②向单片机①发出指令，申请数据发送；在自动模式下，上位机的指令被核心单片机②接收后，发送读取数据请求来激发单片机①发送数据。MSP430F169-②单片机是核心控制单元，它实时读取暂存同步数据，当接收到上位机发送的定点指令后，将检定点的定点数据与暂存的同步数据进行比较，在规定的数据偏差范围内执行相关动作，使得挡泥板张开的角度逼近给定的角度值，此时再次读取同步数据，也可以对这组同步数据进行必要的换算，换算到标准的检定点上，再进行发送。单片机②的程序流程图如图5所示。

上位机配以对应的无线路由器，以接收检定装置发送来的数据信息，上位机软件按照规则处理对应的数据。同时，上位机软件自动完成检测数据的误差处理、分析，并给出测试报告。图6是上位机软件的界面截图。

图6 检定软件界面

3 检定数据分析

利用检定装置对靶式流量计传感器进行检定测试，选择自动状态进行测试，选取7个测试点，由软件自动划分确定测试点，检定测试数据表见表1。(8)参见张会新、余俊斌、严帅等：《基于RS485总线的前端数字化数据采集系统》，《仪表技术与传感器》2018年第6期。

表1 靶式流量计检定测试数据表

表1被检点列的数值是软件自动划分的，4～20mA理论值列是与被检点电流值对应的，软件依据上行程和下行程的实测值给出了对应的绝对误差和相对误差。图7是上行程测量值曲线。

图6 测量值曲线 图7 绝对误差曲线

从测量上行程值曲线上可以看出，上行程测量曲线与理论值曲线基本重合在一起，被检传感器的线性度还是比较理想的。为了验证传感器的相对误差，利用测试数据绘制了测量值误差曲线，相对误差曲线的变化趋势与绝对误差曲线相似。测量值误差曲线似乎表明随着测量点趋近于量程上限，误差呈现上升趋势，这是随机产生的，多次测量发现这种现象无规律性。误差与传感器的零点、量程、线性及温漂等有关。

4 装置技术参数

综合录井仪靶式流量计传感器现场检定装置的技术参数：

(1)内附SCA116T-90传感器、SMI600显示器；

(2)分辨率：0.04°；

(3)绝对精度：0.1°；

(4)响应时间：0.02s；

(5)检定范围：0～90°；

(6)外形尺寸：700*400*550mm；

(7)重量：26.8kg。

5 结束语

靶式流量计检定装置采用倾角传感器随动测量角度，降低了装置的复杂程度，减小了装置体积，得益于上位机软件与测试装置配套，测试装置接收上位机指令即可进行检定点数据实时显示和传输，上位机完成数据的分析和处理，并生成测试数据和检定报告。

该靶式流量计检定装置体积小、重量轻，部件选择、结构设计充分考虑了耐震、低温特性要求，装置与上位机间数据传输采用无线方式，这些优点使得装置适合于现场应用，已经过两年多现场应用验证。