CN101706650A - 一种多传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多传感器系统，尤其是涉及一种油田智能井/管线连续或点监测控制的传感器系统。它包括有现场测控和中央处理器两部分：其中，现场测控部分包括：检测某点或层面及有限段内的多压力、流量、温度等传感器、子处理器(MCU)、执行器、节点处理器、信道；其中，中央处理器部分包括：中央驱动接口、中央处理器、继电器、GPS接口、调频—馈电模块，协处理器，工况和泵况检测传感器等。本发明融合了多相流体的各种互补信息，用贝叶斯方法建立了多传感器信息融合的数学模型，具有检测信息的完整性、统一性和容错性等优点。为油田智能井或输送管线连续或点测多参量提供了一个行之有效的方法，功能可靠，适于推广。

Description

一种多传感器系统

技术领域：

本发明涉及一种多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统.

背景技术：

已有技术公告的CN2731096实用新型专利所阐述的潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置，涉及一种油田用井下智能多参数测试装置，包括井下测试装置和通过电缆或载波传输与井下测试装置远传联接的地面仪，其中井下测试装置由流量信号模块电路、温度信号模块电路、压力和含水信号模块电路、微控制器、其它信号模块电路、输出接口模块电路、电力电缆载波调制模块电路、功率输出模块电路及摇传模块电路组成，工作中，由流量、温度和压力信号模块电路把传感器检测的信号分别处理成数字信号并被送到微控制器进行编码处理，处理后的信号被送到输出接口模块电路和功率输出模块电路进行功率放大，最后可根据用户要求被送入摇传模块电路或电力电缆载波调制模块电路。

但随着应用范围的推广，检测对象的复杂多样性以及其它要素的影响，造成本专利产品的推广应用受到了很大的限制，特别是早期主要安装在抽油机、电潜泵、注水泵等泵井上，现经过对该项目的进一步的研究开发，应用更加广泛，主要用于智能井、地面或井下管线连续流量、压力、温度、密度、含水等参数的在线监测，尤其在石油开采环节中的优化、井下监测、油水分离，喷射泵/灌注泵的生产监测、泥浆和砂的注入监控、注CO_2、甲烷的监控；通过多传感器系统能精确实时监控泵工作中的各种工作参数，将泵况、井况及工况进行有机地组合，以增加产量，降低成本；也可以为地质工程师进行生产优化、汽除水、砂控制、多井监测、水平井、高油/气比井和小井距井的监测提供时实决策数据。使用多传感器系统也可以降低修井的次数和停产的时间，减少泵的更换次数，减小泵杆和油管的磨损和能量的消耗，以提高井的生产效率，降低运营维修成本。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种新型多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统。它具有结构简单紧凑、检测和处理迅速、准确，分辨率高，可靠性高，生产过程安全等优点。

为实现上述目的，见图1、本发明涉及一种多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统。它包括有测量现场和中央处理器两部分：测量现场部分包括：检测某点或层面及有限段的多压力(10——19)、流量(20——29)、温度等传感器(30——39)、子处理器(MCU)(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)、执行器(50)、信道(60)；中央处理器部分包括：中央驱动接口(70)、中央处理器(PC)(80)、继电器(90)、变频-回馈模块(100)、GPS接口(110)，协处理器(N10)、工况检测传感器(120)和泵况检测传感器(130)等。节点处理器(包括协处理器)通过信道和中央处理器连接并协同工作，信道由无线通讯、光钎或电缆来完成。

如前所述多传感器系统的中央处理器(80)，它是本系统的决策控制核心，见图1，由于子处理器(N0——N9)、包括协处理器(N10)、节点处理器(DSP)(40)以及中央处理器(PC)(80)都装载有相应的处理管理软件，各传感器的信号经由子处理器(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)后经信道(60)送入到中央处理器、中央处理器经过融合、优化、修正等措施、将决策信息经过编码送入到相应的执行或控制模块，实现油田的“三况”、“三抽”和“变频-回馈”的优化措施，实现产能和电能的合理配置。对增加的其它层位的检测子处理器可通过(N0)——(N9)接入到节点处理器接口(40)上，该节点处理器通过信道与中央处理器连接，经过处理就呈现出该井的状态信息，一个区块油田将各节点组织起来，实现油田局部网络化，即智能井。

如前所述一种多传感器系统的节点处理器DPS(40)，采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各子处理器的协调、电器及其运动状态的控制，实现了单片控制器系统(SOC)。它将单口井不同层位的传感信息进行编码调制栽入信道；同时，通过建立专家决策系统，实现实时的最优控制。

如前所述一种多传感器系统现场部分的子处理器(MCU)：见图2，它负责某点或面的现场监测和控制，它由传感器模块(N02)、微处理器模块(N01)、继电器模块(N04)、控制器模块(N05)、FLASH模块(N06)和I2C总线传输模块(N03)组成。由于检测点或层面介质处于动态的未知性和时变性，系统对其相关修正变量设置有充分的接口(10)——(30)。。。，各传感器可通过相应接口与子处理器连接，反映该井层的信息。其特征在于，现场部分的子处理器(MCU)负责某点或面的现场监测和控制，其前端设置有多传感器，各检测点或面的子系统通过TPS协议接口并接后和节点处理器连接，节点处理器通过信道远距离和中央处理器连接并协同工作，信道可由无线通讯、光纤或电缆完成。

如前所述一种多传感器系统的协处理器(N10)，见图3，用它将“工况”检测传感器(120)和“泵况”检测传感器(130)的检测信息与信道传回的“井况”信息共同送给中央处理器融合，形成“三况合一”，再结合GPS(110)同步及调频——馈电模块(100)测控，实现产能和电能的合理配置。

如前所述一种多传感器系统的前置传感器结构，其特征在于，见图4、5，由于检测需要而必须和当前被测介质接触，该子处理器前端的传感器敏感部位分别被设计于相互隔离的腔体外，在嵌套入管道内的左侧流体通道(3)与右侧流体通道(5)中和介质接触，而PCB板和传感器引线则被置腔体内，被测介质在其管道流通。各检测点或面的子系统通过信道接口(6)采用TPS协议和节点处理器(40)进行数据通讯。

如前所述一种多传感器系统中的多传感器，其特征在于，检测某点或层面及有限段的多压力(10——19)、流量(20——29)、温度等传感器(30——39)，由于工作环境和空间的限制所选传感器必须超小且节电。GENova Sensor的NPI系列传感器是在NPP系列基础之上发展的高温高压专用传感器，其体积为16mm×8mm×3mm(含引脚)，且集温度、压力、电压3种传感器和ASIC(专用集成电路)控制器于一体，由一块带有大量外围器件的RISC(精简指令集计算机)核心模块组成，开发后可直接将微控制器(μC)程序通过编程器装载于EPROM中.可测量：压力(P)、温度(T)和电池电压(U).传感器内的单片机负责信号的测量及发送，共同与子处理中的各路信息融合.其中，温度传感器设计在ASIC电路中，并具有与绝对温度成比例(PTAT)的特性.流量传感器包括有检测头(A1)和转子(A2)，主要完成经过油管的流量检测.其关键部位是检测探头(A1)，经反复实验和技术论证采用了最新的钐钴(SM-Co)磁钢代替常规的铝镍钴磁钢，解决了常规的转子流量计无法在高温井下连续工作的技术难题.其它传感器则依据需要追加，如水份，密度，另有专利叙述.

如前所述一种多传感器系统，其特征在于应用之一的子处理器部分的机械结构包括：主体支架(1)、信道护盖(2)、左侧流体通道(3)、保护管(4)、右侧流体通道(5)、信道接口6、压力传感器(7)、流量传感器(A1)、转子总成成(A2)、定位螺钉(B1)、密封塞(B2)、密封做孔(B3)、双密封胶圈(B4、B5)、螺钉垫圈(B6、B7)、PCB板(B8、B9、B10)。见图4、5，其特征在于：主体支架(1)为该子系统的骨架，被加工成中孔的管件，被测流体从孔内流通，骨架按国产平式油管螺纹21/2的连接要求，左侧被加工成油管锥形母螺扣、右侧被加工成油管锥形公螺扣，中部与保护管形成的空间将PCB和传感器引线紧固其中，传感器的敏感部位被设计成与内孔连通，当被测介质在其孔内流通时，就可以完全检测其状况。针对某油气曾，将该子系统被串接在油管之间或油管和其他装置之间时，就可完成在线检测，如接上执行器(油嘴或电磁阀)，就可进行流体控制。对单口井而言(一个节点)，根据油层需要，可连接若干个子系统。通常，为了提高其密封的可靠性，要求内腔能承受30MPa的压力差和20吨的轴向拉力。

如前所述一种多传感器系统的节点处理器(40)软件，本发明所采用的“和谐”式多传感器融合技术，在竞争和互补的基础上分析多个传感器所采集信息的次优方案，进行合成，形成对但口井产层或注入层流体特征的综合描述，预测出该层位的储能和产量，通过这种方法探测的地质环境信息具有很强的冗余性、互补性和实时性等特点。

如前所述一种多传感器系统的中央处理器(80)软件所采用的贝叶斯方法建模，对系统多传感器状态进行适时检测，分析所观测到的信息，完成对某一实际的待检状态的明确诊断，提高系统的可靠性，实现优化控制。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的整体原理结构示意图框图；

图2为本发明现场测控部分的子处理器结构示意框图；

图3为本发明中央理器原理结构示意图框图；

图4为本发明子处理器的机械结构示意图；

图5本发明子处理器机械结构A-A向、B-B向、C-C向剖视图；

具体实施方式：

以下所述仅为本发明的较佳实施案例，并不因此而限定本发明的权利保护范围。

首先，见图1所示：本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种新型多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统.它具有结构简单紧凑、检测和处理迅速、准确，分辨率高，可靠性高，生产过程安全等优点.为实现这些目的，见图1、本发明研制出一种多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统.它包括有测控现场和中央处理器两部分：测控现场部分包括：检测某点或层面及有限段的多压力(10——19)、流量(20——29)、温度等传感器(30——39)、子处理器(MCU)(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)、执行器(50)、信道(60)；中央处理器部分包括：中央驱动接口(70)、中央处理器(PC)(80)、继电器(90)、变频-回馈模块(100)、GPS接口(110)，协处理器(N10)、工况检测传感器(120)和泵况检测传感器(130)等.节点处理器(包括协处理器)通过信道和中央处理器连接并协同工作，信道由无线通讯、光钎或电缆来完成.

其中，多传感器系统的中央处理器(80)，它是本系统的决策控制核心，见图1，由于子处理器(N0——N9)、包括协处理器(N10)、节点处理器(DSP)(40)以及中央处理器(PC)(80)都装载有相应的处理管理软件，各传感器的信号经由子处理器(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)后经信道(60)送入到中央处理器、中央处理器经过融合、优化、修正等措施、将决策信息经过编码送入到相应的执行或控制模块，实现油田的“三况”、“三抽”和“变频-回馈”的优化措施，实现产能和电能的合理配置。对增加的其它层位的检测子处理器可通过(N0)——(N9)接入到节点处理器接口(40)上，该节点处理器通过信道与中央处理器连接，经过处理就呈现出该井的状态信息，一个区块油田将各节点组织起来，实现油田局部网络化，即智能井。

其中，一种多传感器系统的节点处理器DPS(40)，采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各子处理器的协调、电器及其运动状态的控制，实现了单片控制器系统(SOC)。它将单口井不同层位的传感信息进行编码调制栽入信道；同时，通过建立专家决策系统，实现实时的最优控制。

其中，一种多传感器系统现场部分的子处理器(MCU)：见图2，它负责某点或面的现场监测和控制，它由传感器模块(N02)、微处理器模块(N01)、继电器模块(N04)、控制器模块(N05)、FLASH模块(N06)和I2C总线传输模块(N03)组成。由于检测点或层面介质处于动态的未知性和时变性，系统对其相关修正变量设置有充分的接口(10)——(30)。。。，各传感器可通过相应接口与子处理器连接，反映该井层的信息。其特征在于，现场部分的子处理器(MCU)负责某点或面的现场监测和控制，其前端设置有多传感器，各检测点或面的子系统通过TPS协议接口并接后和节点处理器连接，节点处理器通过信道远距离和中央处理器连接并协同工作，信道可由无线通讯、光纤或电缆完成。

其中，所述一种多传感器系统的协处理器(N10)，见图3，用它将“工况”检测传感器(120)和“泵况”检测传感器(130)的检测信息与信道传回的“井况”信息共同送给中央处理器融合，形成“三况合一”，再结合GPS(110)同步及调频——馈电模块(100)测控，实现产能和电能的合理配置。

其次，见图4、5，一种多传感器系统的前置传感器结构，由于检测需要而必须和当前被测介质接触，该子处理器前端的传感器敏感部位分别被设计于相互隔离的腔体外，在嵌套入管道内的左侧流体通道(3)与右侧流体通道(5)中和介质接触，而PCB板和传感器引线则被置腔体内，被测介质在其管道流通。各检测点或面的子系统通过信道接口(6)采用TPS协议和节点处理器(40)进行数据通讯。

再如前所述一种多传感器系统中的多传感器，其特征在于，检测某点或层面及有限段的多压力(10——19)、流量(20——29)、温度等传感器(30——39)，由于工作环境和空间的限制所选传感器必须超小且节电。GENova Sensor的NPI系列传感器是在NPP系列基础之上发展的高温高压专用传感器，其体积为16mm×8mm×3mm(含引脚)，且集温度、压力、电压3种传感器和ASIC(专用集成电路)控制器于一体，由一块带有大量外围器件的RISC(精简指令集计算机)核心模块组成，开发后可直接将微控制器(μC)程序通过编程器装载于EPROM中.可测量：压力(P)、温度(T)和电池电压(U).传感器内的单片机负责信号的测量及发送，共同与子处理中的各路信息融合.其中，温度传感器设计在ASIC电路中，并具有与绝对温度成比例(PTAT)的特性.流量传感器包括有检测头(A1)和转子(A2)，主要完成经过油管的流量检测.其关键部位是检测探头(A1)，经反复实验和技术论证采用了最新的钐钴(SM-Co)磁钢代替常规的铝镍钴磁钢，解决了常规的转子流量计无法在高温井下连续工作的技术难题.其它传感器则依据需要追加，如水份，密度，另有专利叙述.

如前所述一种多传感器系统的子处理器部分的机械结构，包括：主体支架(1)、信道护盖(2)、左侧流体通道(3)、保护管(4)、右侧流体通道(5)、信道接口6、压力传感器(7)、流量传感器(A1)、转子总成成(A2)、定位螺钉(B1)、密封塞(B2)、密封做孔(B3)、双密封胶圈(B4、B5)、螺钉垫圈(B6、B7)、PCB板(B8、B9、B10)。见图4、5，其特征在于：主体支架(1)为该子系统的骨架，被加工成中孔的管件，被测流体从孔内流通，骨架按国产平式油管螺纹21/2的连接要求，左侧被加工成油管锥形母螺扣、右侧被加工成油管锥形公螺扣，中部与保护管形成的空间将PCB和传感器引线紧固其中，传感器的敏感部位被设计成与内孔连通，当被测介质在其孔内流通时，就可以完全检测其状况。针对某油气曾，将该子系统被串接在油管之间或油管和其他装置之间时，就可完成在线检测，如接上执行器(油嘴或电磁阀)，就可进行流体控制。对单口井而言(一个节点)，根据油层需要，可连接若干个子系统。通常，为了提高其密封的可靠性，要求内腔能承受30MPa的压力差和20吨的轴向拉力。

如前所述一种多传感器系统的节点处理器(40)软件，本发明所采用的“和谐”式多传感器融合技术，在竞争和互补的基础上分析多个传感器所采集信息的次优方案，进行合成，形成对但口井产层或注入层流体特征的综合描述，预测出该层位的储能和产量，通过这种方法探测的地质环境信息具有很强的冗余性、互补性和实时性等特点。

如前所述一种多传感器系统的中央处理器(80)软件所采用的贝叶斯方法建模，对系统多传感器状态进行适时检测，分析所观测到的信息，完成对某一实际的待检状态的明确诊断，提高系统的可靠性，实现优化控制。

Claims (10)

1.本发明涉及一种多传感器系统，尤其是涉及油田智能井/管线连续或点监测的传感器系统。它包括有测控现场和中央处理器两部分：测。控现场部分包括：检测某点或层面及有限段的多压力(10——19)、流量(20——29)、温度等传感器(30——39)、子处理器(MCU)(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)、执行器(50)、信道(60)；中央处理器部分包括：中央驱动接口(70)、中央处理器(PC)(80)、继电器(90)、变频-回馈模块(100)、GPS接口(110)，协处理器(N10)、工况检测传感器(120)和泵况检测传感器(130)等。节点处理器(包括协处理器)通过信道和中央处理器连接并协同工作，信道由无线通讯、光钎或电缆来完成。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于：中央处理器(80)是决策控制核心，由于子处理器(N0——N9)、包括协处理器(N10)、节点处理器(DSP)(40)以及中央处理器(PC)(80)都装载有相应的处理管理软件，各传感器的信号经由子处理器(N0——N9)、节点处理器(DSP)(40)后经信道(60)送入到中央处理器、中央处理器经过融合、优化、修正等措施、将决策信息经过编码送入到相应的执行或控制模块，实现油田的“三况”、“三抽”和“变频-回馈”的优化措施，实现产能和电能的合理配置。对增加的其它层位的检测子处理器可通过(N0)——(N9)接入到节点处理器接口(40)上，该节点处理器通过信道与中央处理器连接，经过处理就呈现出该井的状态信息，一个区块油田将各节点组织起来，实现油田局部网络化，即智能井。

3.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于：节点处理器DPS(40)，采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各子处理器的协调、电器及其运动状态的控制，实现了单片控制器系统(SOC)。它将单口井不同层位的传感信息进行编码调制栽入信道；同时，通过建立专家决策系统，实现实时的最优控制。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于，现场部分的子处理器(MCU)负责某点或面的现场监测和控制，它由传感器模块(N02)、微处理器模块(N01)、继电器模块(N04)、控制器模块(N05)、FLASH模块(N06)和I2C总线传输模块(N03)组成。由于检测点或层面介质处于动态的未知性和时变性，系统对其相关修正变量设置有充分的接口(10)——(30)。。。，各传感器可通过相应接口与子处理器连接，反映该井层的信息。其特征在于，现场部分的子处理器(MCU)负责某点或面的现场监测和控制，其前端设置有多传感器，各检测点或面的子系统通过TPS协议接口并接后和节点处理器连接，节点处理器通过信道远距离和中央处理器连接并协同工作，信道可由无线通讯、光纤或电缆完成。

5.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于，协处理器(N10)将“工况”检测传感器(120)和“泵况”检测传感器(130)的检测信息与信道传回的“井况”信息共同送给中央处理器融合，形成三况合一，再结合GPS(110)同步及调频——馈电模块(100)测控，实现产能和电能的合理配置。

6.根据权利要求1所述一种多传感器系统的前置传感器结构，其特征在于，见图4、5，由于检测需要而必须和当前被测介质接触，该子处理器前端的传感器敏感部位分别被设计于相互隔离的腔体外，在嵌套入管道内的左侧流体通道(3)与右侧流体通道(5)中和介质接触，而PCB板和传感器引线则被置腔体内，被测介质在其管道流通。各检测点或面的子系统通过信道接口(6)采用TPS协议和节点处理器(40)进行数据通讯。

7.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，由于前置传感器(10——39)，作为应用之一的压力(10)、流量(20)、温度(30)...等传感器，见图3，需要和当前被测介质接触，该子处理器和传感器部分分别设计于相互经高压隔离的中空腔内外，介质在其内管道流通，各检测点或面的子系统通过TPS协议接口共同和节点处理器进行数据通讯.由于工作环境和空间的限制所选传感器必须超小且节电.GENova Sensor的NPI系列传感器是在NPP系列基础之上发展的高温高压专用传感器，其体积为16mm×8mm×3mm(含引脚)，且集温度、压力、电压3种传感器和ASIC(专用集成电路)控制器于一体，由一块带有大量外围器件的RISC(精简指令集计算机)核心模块组成，开发后可直接将微控制器(μC)程序通过编程器装载于EPROM中。可测量：压力(P)、温度(T)和电池电压(U)。传感器内的单片机负责信号的测量及发送，共同与子处理中的各路信息融合。其中，温度传感器设计在ASIC电路中，并具有与绝对温度成比例(PTAT)的特性。流量传感器包括有检测头(A1)和转子(A2)，主要完成经过油管的流量检测。其关键部位是检测探头(A1)，经反复实验和技术论证采用了最新的钐钴(SM-Co)磁钢代替常规的铝镍钴磁钢，解决了常规的转子流量计无法在高温井下连续工作的技术难题。其它传感器则依据需要追加，如水份，密度，另有专利叙述。

8.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于应用之一的子处理器部分的结构包括：主体支架(1)、信道护盖(2)、左侧流体通道(3)、保护管(4)、右侧流体通道(5)、信道接口6、压力传感器(7)、流量传感器(A1)、转子总成成(A2)、定位螺钉(

B1)、密封塞(B2)、密封做孔(B3)、双密封胶圈(B4、B5)、螺钉垫圈(B6、B7)、PCB板(B8、B9、B10)。见图3、4，其特征在于：主体支架(1)为该子系统的骨架，被加工成中孔的管件，被测流体从孔内流通，骨架按国产平式油管螺纹21/2的连接要求，左侧被加工成油管锥形母螺扣、右侧被加工成油管锥形公螺扣，中部与保护管形成的空间将PCB和传感器引线紧固其中，传感器的敏感部位被设计成与内孔连通，当被测介质在其孔内流通时，就可以完全检测其状况。针对某油气曾，将该子系统被串接在油管之间或油管和其他装置之间时，就可完成在线检测，如接上执行器(油嘴或电磁阀)，就可进行流体控制。对单口井而言(一个节点)，根据油层需要，可连接若干个子系统。通常，为了提高其密封的可靠性，要求内腔能承受30MPa的压力差和20吨的轴向拉力。

9.根据权利要求1所述的一种多传感器系统的节点处理器(40)软件，本发明所采用的“和谐”式多传感器融合技术，在竞争和互补的基础上分析多个传感器所采集信息的次优方案，进行合成，形成对单口井产层或注入层流体特征的综合描述，预测出该层位的储能和产量，通过这种方法探测的地质环境信息具有很强的冗余性、互补性和实时性等特点。

10.根据权利要求1所述的一种多传感器系统，其特征在于：中央处理器(80)软件所采用的贝叶斯方法建模，对系统多传感器状态进行适时检测，分析所观测到的信息，完成对某一实际的待检状态的明确诊断，提高系统的可靠性，实现优化控制。

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