CN113863919A - 一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法 - Google Patents

一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法，包括定序模块、带隙标定模块、模数转换器和计算模块；定序器用于控制模数转换器和计算模块；模数转换器用于获取应变片式压力传感器的输入信号和被选择地输入到模数转换器的标定信号，并且模数转换器用于输出信号；计算模块用于获取模数转换器输出的标定信号，基于输出的标定信号，计算模块校正数模转化器的输出信号。本发明以提高应变片式压力传感器输出的精度。

Description

一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及 方法
技术领域
本发明属于Barton校正技术领域，具体涉及一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法。
背景技术
石油行业工程录井仪器中应变片式压力传感器被大量使用，尤其是井下随钻装备，应变片式压力传感器实时检测着井下的压力并传输出去。
但应变片式压力传感器的内部元件应变片很容易受到井下高振动高噪声的干扰，导致应变片不能正确发生形变，形变电阻的数值不稳定甚至发生错误，这是井下随钻应变片式压力传感器输出信号不准确的主要原因，对钻井时准确判断井下工况造成不利的影响。所以本发明采用一种Barton校正装置及校正方法来校正井下随钻应变片式压力传感器的输出，提升井下随钻应变片式压力传感器输出的准确度，对准确判断井下状况具有重要意义。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法，针对上述工程录井仪器中井下随钻应变片式压力传感器受到井下高振动、高噪声影响而导致测量不准确的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法，包括定序模块、带隙标定模块、模数转换器和计算模块；定序器用于控制模数转换器和计算模块；模数转换器用于获取应变片式压力传感器的输入信号和被选择地输入到模数转换器的标定信号，并且模数转换器用于输出信号；计算模块用于获取模数转换器输出的标定信号，基于输出的标定信号，计算模块校正数模转化器的输出信号。
进一步，计算模块作用为校正由模数转换器的增益和偏移量的变化引起的输出信号的偏差。
进一步，模数转换器作用为接收多个标定信号的不同数值，当相应的标定信号输入到模数转换器时，所述计算模块从模数转换器输出的输出值得到校正输出数据。
进一步，通过模数转换器测量第一标定信号、第二标定信号和应变片式压力传感器的输出信号，井下随钻应变片式压力传感器的输出校正信号T＇的计算公式如下：
Figure BDA0003285474030000021
a为增益校正因子，b为偏置校正因子，V为调制器的输入电压。
本发明的原理以及有益效果：(1)校正井下随钻应变片式压力传感器的输出，提升井下随钻应变片式压力传感器输出的准确度，对准确判断井下状况具有重要意义。
(2)由于井下随钻应变片式压力传感器校正电路输出电压的目标差异，使用校正值可以简化井下随钻应变片式压力传感器校正过程，并准确、快速地校正输出数据。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置原理图；
图2为本发明实施例中调制器输入电压的范围图；
图3为本发明实施例中分频器的电路原理图；
图4为本发明实施例中井下随钻应变片式压力传感器输出校正前后的关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例：
一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置，包括带隙标定模块(由带隙标定电路构成)、输入模块(由输入电路(10)构成)、数字滤波器、计算模块(由计算电路(9)构成)和定序器。带隙标定模块(由带隙标定电路构成)和输入电路由模拟电路实现，数字滤波器，计算模块和定序器由数字电路实现。
带隙标定电路是一个产生标定电压的电路，产生并输出一个恒定的标定电压VF。标定电压VF为带隙标定电路高电位一侧的电位VP减去带隙标定电路低电位一侧的电位VN得到的电位差(即VF＝VP-VN)。
输入模块是一个输入接口电路，其输入的检测电压V为电路检测信号T。输入电路包括多路复用器和增量调制器。增量调制器和数字滤波器构成模数转换器。
多路复用器是包括多个输入通道的开关电路，其作用为选择输入通道的某些电压并输出所选电压。在图1中，多路复用器包括6个输入通道，每个输入通道由差分输入电路实现，该差分输入电路包括一个非反相输入终端和一个反相输入终端。图1中，B*E为非反相输入端子，B*F为反相输入端子(“*”为整数)。由包含非反相输入端子BOE和反相输入端子BOF的差分输入电路实现，该差分输入电路由压力传感器的检测电压V作为检测信号T的输入，输入通道h0到h5由差分输入电路实现。
在图1中，将井下随钻应变片式压力传感器的检测信号T输入到输入通道h0，将低电位之间的电位差t0作为恒定的第一标定电压输入到输入通道h3，+VF(＝VP-VN)作为一个恒定的第二标定电压输入到输入通道h4。-VF(＝VN-VP)作为第三标定电压输入到输入通道h5。
定序器选择控制信号输出到多路复用器，选择电压输出到调制器，模数转换器把电压输入到输入通道h0到h5。即多路复用器通过定序器指定的h5，调制器输出输入通道h0的电压。为了更好的表述，设定多路复用器有选择性地输出检测电压V和多个恒定标定电压(±0、±VF)到模数转换器的调制器。
模数转换器模拟数字转换电路,被测量和参考的模拟电压输入到多路复用器的调制器和采样时的定序器(启用了模数转换器的定序器)。
当调制器被定序器启用时，调制器输出数字信号数据并根据从多路复用器输入的模拟输入电压而变化。当数字滤波器被定序器启用时，数字滤波器对调制器的输出数据进行信号处理。
图2是用来描述调制器输入电压范围的图。在图2中，调制器的原始满量程范围(调制器可以输入的最大电压范围)被设置为标定电压VF的倍数(在本发明中，4VF介于-2VF和+2VF之间)。
限制调制器的输入电压范围，可以防止从模数转换器的数字滤波器输出的校正输出数据T＇的范围受到限制。即在限制调制器输入电压范围时，即使模数转换器的调制器增益和偏移量变化很大时，数字信号的计算电路仍不受影响，输出数据T＇也可以得到校正。
计算电路根据定序器输出的控制信号校正模数转换器的数字滤波器的数字输出数据T＇。即计算电路校正输出数据T＇偏离预定范围的参考值，这是由模数转换器的增益和偏移的变化引起的。计算模块包括一个乘法除法器，除法器和工作存储器。
当输入x、y、z值时，乘法除法器执行“xy+z”运算并输出计算结果。除了计算“xy+z”，乘法除法器还可以进行“xy-z”、“-xy+z”、“-xy-z”等运算，并输出计算结果，同时，当输入x和y时，除法器进行“x/y”计算，并输出计算结果。
图3是一个电路图，说明了使用分频器的典型配置方法。当一个被除数x和由两个除数表示的数据被输入到除法器时，除法器被定序器启用，其过程执行如下所述，多路复用器第一次选择x作为被除数qn，当被除数qn的符号位(即最高位)和除数y的符号位(即最高位)互异时，选择qn+y。同时，当被除数qn的符号位和除数y的符号位相同时，复用器选择qn-y，选择的值乘以2(或移动1位)，输入到触发器。
被除数qn的符号位和除数y的符号位互异时,多路复用器选择“1”的符号位和DIVout分配器是不同的结果。当被除数qn的符号位与除数y的符号位相同时，复用器选择“O”作为除数输出值DIVout的符号位，指令进入P4中所选符号位的信号通过移位寄存器输入到触发器，多路复用器从触发器选择一个输出作为被除数qn，当被除数qn的符号位(即最高位)和除数y的符号位(即最高位)不同时，复用器选择qn+y。同时，当被除数qn的符号位与除数y的符号位相同时，复用器选择qn-y，选择的值乘以3，输入到触发器。
当被除数qn的符号位(即最高位)和除数y的符号位(即最高位)不同时，多路复用器选择“0”。同时，当被除数qn的符号位与除数y的符号位相同时，复用器选择“1”，移位寄存器将触发器的输出向左移一位，将P9中选择的值输入到移位输出的最小有效位，并将结果输入到触发器，重复若干次，对应“DIVout-1的位数”，得到除法结果，由于采用上述除法器不需要乘法器，因此可以提供电路尺寸较小的除法器。
描述一种计算校正输出值的方法，用于校正模数转换器和数字滤波器的输出数据。当V表示调制器的输入电压时，“a”表示调制器(1)的增益，“b”表示调制器的偏移量，井下随钻应变片式压力传感器的输出校正数据T＇由下面公式(1)表示。
Figure BDA0003285474030000071
a为增益校正因子，b为偏置校正因子，校正后的模数转换结果Vcp用式(2)表示。
Figure BDA0003285474030000072
式(2)中增益校正因子α和偏移校正因子β为校正输出数据T＇的校正值。
因此，通过校正调制器的增益“a”和偏移量“b”，从而消除增益“a”和偏移量“b”中的误差，得到校正后的模数转换结果Vcp。这里，调制器输入电压的满量程范围为4Vr，数字滤波器在满量程范围内-2～+2输出数据T＇。因此，Vcp与V的关系可由下式(3)表示。
Figure BDA0003285474030000081
因此，增益校正因子α和偏移校正因子β用式(4)表示：
Figure BDA0003285474030000082
Figure BDA0003285474030000083
同样，从图4中可以明显看出。调制器的增益a和偏移量b由下式(5)表示：
Figure BDA0003285474030000084
Figure BDA0003285474030000085
图4显示了模数转换器的输入电压和输出数据T＇之间的关系。在图4中，黑线表示修正后的关系，蓝线表示修正前的关系，将式(5)代入式(4)得到下式(6)。
Figure BDA0003285474030000086
Figure BDA0003285474030000087
当接收到计算校正值(增益校正因子α和偏移校正因子β)的指令时，定序器按照下面的指令执行步骤过程。
定序器将多路复用器切换到通道h4，并使调制器和数字滤波器进行计算，定序器将数字滤波器的输出Vh4存储在工作存储器中，定序器禁用调制器和数字滤波器，定序器将多路复用器切换到通道h3，并使用调制器和数字滤波器，定序器将步骤中数字滤波器的输出Vh3(见图4)存储在工作存储器中，定序器禁用调制器和数字滤波器，定序器将多路复用器切换到通道h5，并使用调制器和数字滤波器，定序器将数字滤波器的输出Vh5(见图4)存储在工作存储器中，定序器禁用调制器和数字滤波器，定序器从工作存储器中读取Vh4和Vh5，将乘法除法器中的“1”替换为x。Vh4替换为y,Vh5替换为z，使乘法除法器执行“xy-z”运算，定序器的“1”为x和y的计算结果通过除法器,除法器执行计算“x/y”获得增益校正因子C表达的公式(6)和获得的增益校正因子在工作存储器中，定序器从工作存储器中读取Vh4和Vh5,替代“1”为x,Vh4的y，z和Vh5乘法器,使乘法器执行计算“(xy+z)/2”得到结果“xy+z”，定序器从工作存储器中读取获得的校正因子,替代的校正因子x,y的计算结果,使乘法器执行计算“xy+z”获得偏移校正系数公式(6),并将所述偏移校正因子β存储在工作存储器中。
通过上述过程获得的增益校正因子α和偏置校正因子β可存储在应变片式压力传感器输出校正电路的存储器中。将α和β保存在存储器中，无需在每次应变片式压力传感器输出校正电路重启时再次计算α和β,当接收数字滤波器的输出数据T＇使用调整值和β(获得校正系数和偏移校正系数β)在输出数据T＇储存在工作储存器。
定序器从工作存储器中读取数字滤波器的输出数据T＇。上述得到的校正值α和校正值B,定序器将输出数据T＇替换为x，将因子α替换y,因子β替换为z,乘法器进行“xy+z”运算，计算出式(2)所表示的Vcp，并将Vcp作为校正后的输出数据T＇存储在工作存储器6中,按上述所述配置定序器。可以自由设置时间来计算校正值α，β和校正输出数据T＇，这会简化校正值α和β的计算次数,因此,上面的步骤可以计算校正值校正所用计算电路的输出数据的数字信号即使模数转换器的增益和偏移量没有偏离参考值，由于井下随钻应变片式压力传感器校正电路输出电压的目标差异，使用校正值可以简化井下随钻应变片式压力传感器校正过程，并准确、快速地校正输出数据T＇。
在检测过程中使用电池作为井下随钻应变片式压力传感器输出校正电路的电源时，校正井下随钻应变片式压力传感器输出的准确性可能会由于电源电压的不稳定而降低。不过由于校正值是由计算电路根据实际获得的输出数据T计算出来的，并用于校正输出数据T＇，因此即使电源电压发生变化，校正输出数据T＇的精度也不会降低,此外，本发明的结构能使其自由设置计时来计算校正值和校正输出数据T＇，从而使其能够最小化校正值的计算次数。此外，调制器的输入电压范围在4VF的满量程范围内被限制在-VF和+VF之间，这种设置防止数字信号的计算电路变为饱和，从而使在模数转换器的增益和偏移量变化很大的情况下也可以校正输出数据T。
当调制器的输入电压范围已知时，可以通过使用两个对应于±VF,±0的点来计算校正值提高校正精度。如图4所示，当调制器1的输入电压范围从OV到+VF时，增益校正因子α可以用+VF和±0对应的两点表示为下面的公式(7)。调制器的输入电压范围为-vr～OV时，增益校正因子α可以用±0和-VF对应的两点由下式(8)表示。
Figure BDA0003285474030000111
Figure BDA0003285474030000112
如下式(9)所示，将三个点的输出数据平均得到偏移校正因子β。如式(10)所示，利用某一点的输出数据Vw可以得到校正因子β。由于偏置校正因子β随增益校正因子α的变化而变化，因此可以得到α和β的组合关系。
Figure BDA0003285474030000113
Figure BDA0003285474030000114
此外，输出数据Vw可以通过二级校正进行校正。例如，当校正值为α、β、γ时，校正后的模数转换结果Vcp可用式(11)表示。
Figure BDA0003285474030000115
将图4得到的式(12)代入式(11)，由此得到的联立方程的解，可得修正值α、β、γ的式(13)，公式(13)可用乘法器和除法器计算。
Figure BDA0003285474030000116
Figure BDA0003285474030000121
定序器使用乘法器将校正值α、β、γ进行两次“xy+z”计算，得到式(11)的Vcp，并将Vcp作为校正后的输出数据T＇存储在工作存储器6中,井下随钻应变片式压力传感器输出校正电路也可以校正多个应变片式压力传感器的输出。当其他应变片式压力传感器的检测电压输入到输入通道h1、应变片式压力传感器的检测电压输入到输入通道h2时，通过多路复用器将检测电压切换为输入到调制器，就可以校正多个井下随钻应变片式压力传感器的输出。
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置及方法，其特征在于，包括定序模块、带隙标定模块、模数转换器和计算模块；
定序器用于控制模数转换器和计算模块；
模数转换器用于获取应变片式压力传感器的输入信号和被选择地输入到模数转换器的标定信号，并且模数转换器用于输出信号；
计算模块用于获取模数转换器输出的标定信号，基于输出的标定信号，计算模块校正数模转化器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置，其特征在于：计算模块作用为校正由模数转换器的增益和偏移量的变化引起的输出信号的偏差。
3.根据权利要求2所述的井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正装置，其特征在于：模数转换器作用为接收多个标定信号的不同数值，当相应的标定信号输入到模数转换器时，所述计算模块从模数转换器输出的输出值得到校正输出数据。
4.根据权利要求3所述的井下随钻应变片式压力传感器输出的Barton校正方法，其特征在于：通过模数转换器测量第一标定信号、第二标定信号和应变片式压力传感器的输出信号，井下随钻应变片式压力传感器的输出校正信号T＇的计算公式如下：
Figure FDA0003285474020000011
a为增益校正因子，b为偏置校正因子，V为调制器的输入电压。
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