CN205743885U - 一种井下温度、压力参数测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种井下温度、压力参数测量电路，包括信号采集电路、信号调理电路、控制电路、计算机和直流电源，所述信号采集电路的输出连接所述信号调理电路，所述信号调理电路的输出端连接所述控制电路，所述控制电路与所述计算机双向连接，所述信号采集电路、所述信号调理电路和所述控制电路均由所述直流电源供电。有益效果：本实用新型所述的一种井下温度、压力参数测量电路，可满足石油钻井过程中不同阶段对温度、压力信号的测量需求，通过休眠设置和采样间隔设置，在井下高温、高压、振动等恶劣工作条件下，在保证测量精度的同时可降低功耗，延长测量电路的使用寿命、提高工作的稳定性。

Description

一种井下温度、压力参数测量电路

技术领域

本实用新型属于石油天然气钻井领域，尤其是涉及一种井下温度、压力参数测量电路。

背景技术

在油气田勘探、开发过程中，地层的温度、压力信息的测量是正确评价矿藏地层的油气当量、保证钻进过程安全高效的重要手段，也是完井压裂过程中评价压裂施工效果、研究压裂工艺机理的重要依据。采用机电一体化结构的智能钻井工具，钻井过程中井底温度、压力的变化，对工具的耐压、密封性能、电子控制单元的稳定性及工作寿命都具有不同的要求。

由于井底存在高温、高压、振动等恶劣工作条件，温度、压力测量装置长期在井下工作，其测量精度、使用寿命均会受到影响。目前市面上的温度、压力测量设备类型众多，性能参数各不相同，在使用过程中选型不当，也会造成测量精度无法满足要求、甚至工作失效的情况。

因此，研究一种用于石油钻井领域的，用于井底温度、压力参数测量的电路结构及测量控制方法，在满足测量要求的同时保证其工作的稳定性，具有重要的意义。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种井下温度、压力参数测量电路，以解决现有市面上的温度、压力测量设备性能参数各不同，在井底使用时测量精度无法满足要求甚至失效的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种井下温度、压力参数测量电路，包括信号采集电路、信号调理电路、控制电路、计算机和直流电源，所述信号采集电路包括温度传感器和压力传感器，所述信号调理电路包括温度信号调理电路和压力信号调理电路，所述控制电路包括微处理器及其分别连接的存储电路、监控电路、时钟电路和通信电路，所述温度传感器经所述温度信号调理电路后连接所述微处理器，所述压力传感器经所述压力信号调理电路后连接所述微处理器，所述微处理器还与所述计算机连接，所述信号采集电路、所述信号调理电路和所述控制电路均由所述直流电源供电。

进一步的，所述温度传感器的型号为AD590，温度测量范围为-45℃～150℃。

进一步的，所述压力传感器为溅射薄膜型压力传感器，压力测量范围为0Mpa～100Mpa。

进一步的，所述温度信号调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U3，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的第一端与所述电阻R1的第二端连接，所述电阻R1的第一端分别与所述温度传感器的正输出端和所述运算放大器U1的第一端连接，所述运算放大器U1的第二端与所述运算放大器U1的第三端连接，所述运算放大器U1的第三端经所述电阻R5后与所述电阻R6的第一端连接，所述电阻R6的第二端接地，所述电阻R6的第一端与所述运算放大器U3的第一端连接，所述运算放大器U3的第三端为所述温度信号调理电路的输出端，所述运算放大器U3的第三端与所述电阻R8的第二端连接，所述电阻R8的第一端与所述运算放大器U3的第二端连接，所述运算放大器U3的第二端与所述电阻R7的第二端连接，所述电阻R7的第一端与所述运算放大器U2的第三端连接，所述运算放大器U2的第三端与所述运算放大器U2的第一端连接，所述运算放大器U2的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R3的第一端接直流电源，所述电阻R3的第二端与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端接地，所述电阻R2和所述电阻R4均为可调电阻，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的型号均优先选用LM2902D，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端。

进一步的，所述压力信号调理电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C1、电容C2、运算放大器U4和运算放大器U5，所述压力传感器的正输出端连接所述电阻R11的第一端，所述电阻R11的第二端分别连接所述运算放大器U4的第一端和所述电阻R12的第一端，所述电阻R12的第二端接地，所述压力传感器的负输出端连接所述电阻R9的第一端，所述电阻R9的第二端分别连接与所述运算放大器U4的第二端和所述电阻R10的第一端，所述电阻R10的第二端与所述运算放大器U4的第三端连接，所述运算放大器U4的第三端与所述电阻R13的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端接地，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述电容C2的第一端连接，所述电容C2的第二端与所述运算放大器U5的第一端连接，所述运算放大器U5的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述运算放大器U5的第三端为所述的压力信号调理电路的输出端，所述运算放大器U4优先选用AD8552，所述运算放大器U5优先选用LM2902D，所述运算放大器U4和所述运算放大器U5的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端。

进一步的，所述微处理器为型号HCS12系列单片机。

进一步的，所述直流电源选用高温锂电池作为稳压电源。

相对于现有技术，本实用新型所述的井下温度、压力参数测量电路具有以下优势：

(1)本实用新型所述的井下温度、压力参数测量电路，可满足石油钻井过程中不同阶段对温度、压力信号的测量需求。

本实用新型的另一目的在于提出一种井下温度、压力参数测量电路的测量方法，以解决井下温度、压力参数测量电路在井下高温、高压、振动等恶劣工作条件下长期处于工作状态时浪费电，功耗高的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种井下温度、压力参数测量电路的测量方法，包括按顺序执行的下列步骤：

步骤111：系统初始化，完成所述控制电路的清零、复位操作；

步骤112：时钟同步，实现所述计算机时钟与所述控制电路时钟信号同步；

步骤113：参数设置，根据钻进不同阶段对采样数据密集性的要求设置采样间隔及数据传输类型，其中数据传输类型包括传输方式选择及是否需要实时数据传输，传输方向为所述计算机至所述控制电路；

步骤114：温度、压力信号采样；

步骤115：信号调理、数据存储，对采样得到的温度、压力信号进行滤波、放大后送入所述微处理器中做进一步处理，处理后的数据保存至所述存储电路；

步骤116：数据传输判断，若需要实时数据传输，转步骤117，否则，转步骤119；

步骤117：数据实时传输，数据传输方式为无线数据传输方式，包括泥浆脉冲无线数据传输方式、声波数据传输方式、电磁波数据传输方式等；

步骤118：停止采集判断，若温度、压力测量数据已满足分析、决策需求，则停止采样，否则，转步骤114；

步骤119：若步骤116中无需数据实时传输，则进行停止采集判断。若需继续采样温度、压力信息，转步骤114；

步骤120：若步骤116中无需数据实时传输，则采样结束后，将测量数据传输至所述计算机中；

步骤121：休眠待命，测量完成后，所述的井下温度、压力参数测量电路进入休眠状态，等待新一轮命令的唤醒，若有新的采集命令，则重复步骤113至步骤121。

相对于现有技术，本实用新型所述的井下温度、压力参数测量电路的测量方法具有以下优势：

(1)本实用新型所述的井下温度、压力参数测量电路的测量方法，通过休眠设置和采样间隔设置，在井下高温、高压、振动等恶劣工作条件下，在保证测量精度的同时可降低功耗，延长测量电路的使用寿命、提高工作的稳定性。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的井下温度、压力参数测量电路的结构框图；

图2为本实用新型实施例所述的温度信号调理电路的原理图；

图3为本实用新型实施例所述的压力信号调理电路的原理图；

图4为本实用新型实施例所述的井下温度、压力参数测量电路的测量方法流程图。

附图标记说明：

100-信号采集电路；1001-温度传感器；1002-压力传感器；200-信号调理电路；2001-温度信号调理电路；2002-压力信号调理电路；300-控制电路；3001-微处理器；3002-存储电路；3003-监控电路；3004-时钟电路；3005-通信电路；400-计算机；500-直流电源。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种井下温度、压力参数测量电路，如图1至图4所示，包括信号采集电路100、信号调理电路200、控制电路300、计算机400和直流电源500，所述信号采集电路100包括温度传感器1001和压力传感器1002，所述信号调理电路200包括温度信号调理电路2001和压力信号调理电路2002，所述控制电路300包括微处理器3001及其分别连接的存储电路3002、监控电路3003、时钟电路3004和通信电路3005，所述温度传感器1001经所述温度信号调理电路2001后连接所述微处理器3001，所述压力传感器1002经所述压力信号调理电路2002后连接所述微处理器3001，所述微处理器3001还与所述计算机400连接，所述信号采集电路100、所述信号调理电路200和所述控制电路300均由所述直流电源500供电。

所述温度传感器1001的型号为AD590，温度测量范围为-45℃～150℃，所述压力传感器1002为溅射薄膜型压力传感器，压力测量范围为0Mpa～100Mpa。

所述温度信号调理电路2001包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U3，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的第一端与所述电阻R1的第二端连接，用于将温度传感器AD590输出的电流信号转换成电压信号，其中第二电阻R2为可变电阻，用于消除温度传感器AD590的标度因数误差，所述电阻R1的第一端分别与所述温度传感器1001的正输出端和所述运算放大器U1的第一端连接，所述运算放大器U1的第二端与所述运算放大器U1的第三端连接，所述运算放大器U1的第三端连接所述电阻R5的第一端，用于隔离输入与输出电压，滤除所述温度传感器1001输出端的干扰，所述电阻R5的第二端与所述电阻R6的第一端连接，所述电阻R6的第二端接地，所述电阻R6的第一端与所述运算放大器U3的第一端连接，所述运算放大器U3的第三端为所述温度信号调理电路2001的输出端，所述运算放大器U3的第三端与所述电阻R8的第二端连接，所述电阻R8的第一端与所述运算放大器U3的第二端连接，所述运算放大器U3的第二端与所述电阻R7的第二端连接，所述电阻R7的第一端与所述运算放大器U2的第三端连接，用于隔离输入与输出电压，滤除所述温度传感器1001输出端的干扰，所述运算放大器U2的第三端与所述运算放大器U2的第一端连接，所述运算放大器U2的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R3的第一端接直流电源，所述电阻R3的第二端与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端接地，所述电阻R2和所述电阻R4均为可调电阻，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的型号均优先选用LM2902D，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端，其中电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8之间的关系为：

R6/R5＝R8/R7 (1)

由于所述信号采集电路100中的温度传感器选用AD590温度传感器，输出的电流值I_K对应热力学温度(单位：K)，在所述温度信号调理电路2001中需将其转换成与摄氏温度I_s(单位：℃)对应，两者之间的转换关系为：

I_K＝273+I_s (2)

输出电压V_T与AD590输出电流I_s之间的关系为：

$V_T=\frac{R4\×R6\×(R7+R8)}{(R3+R4)\×(R5+R6)\×R7}\×VCC-I_S\×\frac{(R1+R2)\×R8}{R7}---\left(3\right)$

固定电阻R2的值，调节电阻R4的值，使得当摄氏温度为0℃时，所述温度信号调理电路2001输出的电压值V_T为0V。

所述压力信号调理电路2002包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C1、电容C2、运算放大器U4和运算放大器U5，所述压力传感器1002的正输出端连接所述电阻R11的第一端，所述电阻R11的第二端分别连接所述运算放大器U4的第一端和所述电阻R12的第一端，所述电阻R12的第二端接地，所述压力传感器1002的负输出端连接所述电阻R9的第一端，所述电阻R9的第二端分别连接与所述运算放大器U4的第二端和所述电阻R10的第一端，所述电阻R10的第二端与所述运算放大器U4的第三端连接，所述运算放大器U4的第三端与所述电阻R13的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端接地，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述电容C2的第一端连接，所述电容C2的第二端与所述运算放大器U5的第一端连接，所述运算放大器U5的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述运算放大器U5的第三端为所述的压力信号调理电路2002的输出端，所述运算放大器U4优先选用AD8552，所述运算放大器U5优先选用LM2902D，所述运算放大器U4和所述运算放大器U5的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端，其中，电容C1和电容C2用于滤除前级输出中携带的交流成分。

所述微处理器3001为型号HCS12系列单片机，所述直流电源500选用高温锂电池作为稳压电源。

所述的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤111：系统初始化，完成所述控制电路300的清零、复位操作；

步骤112：时钟同步，实现所述计算机400时钟与所述控制电路300时钟信号同步；

步骤113：参数设置，根据钻进不同阶段对采样数据密集性的要求设置采样间隔及数据传输类型，其中数据传输类型包括传输方式选择及是否需要实时数据传输，传输方向为所述计算机400至所述控制电路300；

步骤114：温度、压力信号采样；

步骤115：信号调理、数据存储，对采样得到的温度、压力信号进行滤波、放大后送入所述微处理器3001中做进一步处理，处理后的数据保存至所述存储电路3002；

步骤116：数据传输判断，若需要实时数据传输，转步骤117，否则，转步骤119；

步骤117：数据实时传输，数据传输方式为无线数据传输方式，包括泥浆脉冲无线数据传输方式、声波数据传输方式、电磁波数据传输方式等；

步骤118：停止采集判断，若温度、压力测量数据已满足分析、决策需求，则停止采样，否则，转步骤114；

步骤119：若步骤116中无需数据实时传输，则进行停止采集判断。若需继续采样温度、压力信息，转步骤114；

步骤120：若步骤116中无需数据实时传输，则采样结束后，将测量数据传输至所述计算机400中；

步骤121：休眠待命，测量完成后，所述的井下温度、压力参数测量电路进入休眠状态，等待新一轮命令的唤醒，若有新的采集命令，则重复步骤113至步骤121。

一种井下温度、压力参数测量电路工作过程为：

信号采集电路100中的温度传感器1001和压力传感器1002对井底的温度、压力信息进行测量；

信号调理电路200包括温度信号调理电路2001和压力信号调理电路2002，用于对信号采集电路100测量的温度、压力参数信号进行滤波、放大和校正；

控制电路300包括微处理器3001、存储电路3002、监控电路3003、时钟电路3004和通信电路3005，微处理器3001的选用HCS12系列单片机，其内部的模数转换输入端口与信号调理电路200的输出端连接，用于对信号调理电路200输出的温度、压力信号做进一步处理，处理后的数据送入存储电路3002中进行存储，监控电路3003用于实时监控微处理器3001的工作状态，一旦出现异常则自动上电复位，时钟电路3004用于时钟同步并在数据存储时提供时间参数，通信电路3005用于微处理器3001与所述的计算机400之间进行数据通信并接收计算机400下传的指令，数据传输方式可采用钻井液泥浆、电磁波、声波等无线传输方式；直流电源500用于为井下温度、压力参数测量电路提供稳定的直流电能，选用高温锂电池作为稳压电源。

一种井下温度、压力参数测量电路的测量方法工作过程为：

首先进行系统初始化和时钟同步操作，根据钻进不同阶段对采样数据密集性的要求设置采样间隔，由信号采集电路100中的温度传感器1001和压力传感器1002对井底的温度、压力信息进行测量，由信号调理电路200对测量得到的温度、压力信号进行滤波、放大和校正操作后送入控制电路300中的微处理器3001中，微处理器3001对采样得到的信号做进一步处理后输出至存储电路3002中进行存储并根据需要进行数据传输，温度、压力信号采集完毕后，井下温度、压力参数测量电路进行休眠状态，等待新的命令。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：包括信号采集电路(100)、信号调理电路(200)、控制电路(300)、计算机(400)和直流电源(500)，

所述信号采集电路(100)包括温度传感器(1001)和压力传感器(1002)，所述信号调理电路(200)包括温度信号调理电路(2001)和压力信号调理电路(2002)，所述控制电路(300)包括微处理器(3001)及其分别连接的存储电路(3002)、监控电路(3003)、时钟电路(3004)和通信电路(3005)，

所述温度传感器(1001)经所述温度信号调理电路(2001)后连接所述微处理器(3001)，所述压力传感器(1002)经所述压力信号调理电路(2002)后连接所述微处理器(3001)，所述微处理器(3001)还与所述计算机(400)连接，所述信号采集电路(100)、所述信号调理电路(200)和所述控制电路(300)均由所述直流电源(500)供电。

2.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述温度传感器(1001)的型号为AD590，温度测量范围为-45℃～150℃。

3.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述压力传感器(1002)为溅射薄膜型压力传感器，压力测量范围为0Mpa～100Mpa。

4.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述温度信号调理电路(2001)包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U3，

所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的第一端与所述电阻R1的第二端连接，所述电阻R1的第一端分别与所述温度传感器(1001)的正输出端和所述运算放大器U1的第一端连接，所述运算放大器U1的第二端与所述运算放大器U1的第三端连接，所述运算放大器U1的第三端经所述电阻R5后与所述电阻R6的第一端连接，所述电阻R6的第二端接地，所述电阻R6的第一端与所述运算放大器U3的第一端连接，所述运算放大器U3的第三端为所述温度信号调理电路(2001)的输出端，所述运算放大器U3的第三端与所述电阻R8的第二端连接，所述电阻R8的第一端与所述运算放大器U3的第二端连接，所述运算放大器U3的第二端与所述电阻R7的第二端连接，所述电阻R7的第一端与所述运算放大器U2的第三端连接，所述运算放大器U2的第三端与所述运算放大器U2的第一端连接，所述运算放大器U2的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R3的第一端接直流电源，所述电阻R3的第二端与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端接地，

所述电阻R2和所述电阻R4均为可调电阻，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的型号均优先选用LM2902D，所述运算放大器U1、所述运算放大器U2和所述运算放大器U3的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端。

5.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述压力信号调理电路(2002)包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C1、电容C2、运算放大器U4和运算放大器U5，

所述压力传感器(1002)的正输出端连接所述电阻R11的第一端，所述电阻R11的第二端分别连接所述运算放大器U4的第一端和所述电阻R12的第一端，所述电阻R12的第二端接地，所述压力传感器(1002)的负输出端连接所述电阻R9的第一端，所述电阻R9的第二端分别连接与所述运算放大器U4的第二端和所述电阻R10的第一端，所述电阻R10的第二端与所述运算放大器U4的第三端连接，所述运算放大器U4的第三端与所述电阻R13的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端接地，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述电容C2的第一端连接，所述电容C2的第二端与所述运算放大器U5的第一端连接，所述运算放大器U5的第二端与所述电容C1的第一端连接，所述运算放大器U5的第三端为所述的压力信号调理电路(2002)的输出端，

所述运算放大器U4优先选用AD8552，所述运算放大器U5优先选用LM2902D，所述运算放大器U4和所述运算放大器U5的第一端均为同相输入端，第二端均为反相输入端，第三端均为输出端。

6.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述微处理器(3001)为型号HCS12系列单片机。

7.根据权利要求1所述的一种井下温度、压力参数测量电路，其特征在于：所述直流电源(500)选用高温锂电池作为稳压电源。