CN213812717U - 井下压力报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井下压力报警装置，包括光源、光纤耦合器、石墨烯光纤压力传感器、光电转换电路、A/D转换电路和报警模块，所述光源、石墨烯光纤压力传感器和光电转换电路通过光纤耦合器相连；石墨烯光纤压力传感器包括一端设有凹腔的单模光纤，在端面设有一层石墨烯薄膜封住凹腔形成F‑P腔；光源发出的光信号通过光纤传输，经光纤耦合器传输至石墨烯光纤压力传感器，经F‑P腔调制后的光信号经光纤耦合器被光电转换电路接收，光电转换电路将调制后的光信号转换成电信号并放大，通过A/D转换电路将电信号以二进制数字信号输出，通过报警模块与设定阈值相比较，超出阈值时报警。本实用新型提高了在井下整个探测范围内(0‑8km)压力测量的灵敏度和分辨率。

Description

井下压力报警装置

技术领域

本实用新型涉及一种油井健康状态监测装置，尤其涉及一种井下压力报警装置。

背景技术

随着近些年光纤压力传感器的快速发展，在日常生活和工业生产中也出现了越来越多压力传感器的应用。而在油井采油过程中，因为井下环境条件恶劣，所以需要对井下的温度、压力等物理参数进行实时监测，来确定井下油层的分布状况和保护油泵的正常运作，以及保障工人生命的安全。因此，诊断油井的健康状态监测是必不可少的。这就需要长期稳定性好、灵敏度好、测量精度高、不易受温度等环境影响的井下压力传感器。传统压力应变检测仪器可用于油井压力监测，但是不适用于实时监测，其主要原因是传统压力检测仪器的传感信号为电信号，易受电磁干扰，容易在传输过程损耗，不能进行远距离传输，而且传统压力应变检测仪器复杂，成本高。同时压力传感器需埋入井下深处(最深至8km)，不可随意取出进行处理。因此采用新的传感器装置，实现整个井下压力安全实时监测是刻不容缓的问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种井下压力报警装置，能够实时监测井下压力安全状态，提高了在井下整个探测范围内(0-8km)压力测量的灵敏度和分辨率，可控性强、使用便捷，同时降低了井下压力传感器的复杂度和使用成本。

技术方案：本实用新型所采用的技术方案是一种井下压力报警装置，包括光源、光纤耦合器、石墨烯光纤压力传感器、光电转换电路、A/D转换电路和报警模块，所述光源、石墨烯光纤压力传感器和光电转换电路通过光纤耦合器相连；所述石墨烯光纤压力传感器包括一端设有凹腔的单模光纤，在端面设有一层石墨烯薄膜封住凹腔形成F-P腔；光源发出的光信号通过光纤传输，经光纤耦合器传输至所述石墨烯光纤压力传感器，经所述F-P腔调制后的光信号经光纤耦合器被光电转换电路接收，所述光电转换电路将所述调制后的光信号转换成电信号并放大，通过A/D转换电路将电信号以二进制数字信号输出，通过报警模块与设定阈值相比较，超出阈值时报警。

进一步的，所述A/D转换电路包括三个分压电阻、开关控制模块和两套计数回路，通过三个分压电阻串联对直流电源分压，引出两个不同大小的基准电压，所述开关控制模块将输入信号与基准电压相比较，根据输入信号的大小选择使用计数回路，输入信号处于较高电压时切换高位计数回路，处于较低电压时切换低位计数回路。切换基准电压改变回积阶段的速度，能够提高A/D转换电路的分辨率和精度。

进一步的，所述光电转换电路包括光电二极管、若干电阻、可调电阻、两个三极管和电容；第四电阻与光电二极管、第一电容并联，光电二极管正极接地，负极经第一电阻连接电源，第一三极管的基极连接至光电二极管的阴极，第一三极管的集电极经可调电阻连接至电源，第一三极管的发射极经第二电阻接地；第二三极管的基极与第一三极管的集电极相连，第二三极管的发射极经第五电阻接至电源，第二三极管的集电极经第三电阻接地，第二三极管的集电极作为电路输出端。

进一步的，所述光纤耦合器采用具有三个端口的双分支1 x 2耦合器。所述光源采用放大自发辐射光源，其光谱范围为1529～1564nm。所述报警模块包括比较器和蜂鸣器。

有益效果：相比现有技术，本实用新型提出的井下压力报警装置具有以下优点：基于光纤压力传感器监测井下压力变化，提出石墨烯光纤压力传感器结构，采用光纤压力传感器和硬件电路相结合的方式，实现了实时监测井下压力情况。通过纯硬件电路将压力值数字化，在A/D转换电路中使用了一大一小两个基准电压，根据信号大小切换基准电压过程中改变回积阶段的速度，进而提高了在井下整个探测范围内(0-8km)压力测量的灵敏度和分辨率。本装置可控性强、使用便捷，同时不需要微处理器处理，降低了井下压力传感器的复杂度和使用成本。

附图说明

图1是本实用新型所述的井下压力报警装置的模块图；

图2是本实用新型所述的石墨烯光纤压力传感器结构示意图；

图3是本实用新型所述的光电转换电路原理图；

图4是本实用新型所述的A/D转换电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

本实用新型所述的井下压力报警装置系统结构如图1所示，系统中包括光源、光纤耦合器、石墨烯光纤压力传感器、光电转换电路、A/D转换电路。其中从光源的光通过光纤传输，到达光纤传感器F-P腔，在腔内光波与外界压力相互作用会改变其光学性质，随后被调制的信号被光电转换电路中的光电二极管接收到，将其转换成电信号并两级放大，传送至A/D转换电路，依次通过电路中的积分器、比较器、计数器和寄存器，将电信号二进制同步稳定输出，二进制数与压力强度状态相对应，A/D转换电路连接报警模块。

所述光源采用OPLINK公司的放大自发辐射(ASE)光源，其光谱范围1529～1564nm。ASE光源是一种稳定性能好、输出功率高的宽带光源，并且有足够的测试精度。光纤耦合器是将一路光分成几路光的光功能器件，系统选用双分支1 x 2耦合器。耦合器1端口连接光源，2端口连接外部光纤压力传感器，3端口连接光电转换电路。光源发出激光经1 x 2耦合器打到F-P传感器上，反射回来的光再次经过耦合器分成两路相同的光打到光电二极管上。

石墨烯光纤压力传感器结构示意图如图2所示，石墨烯光纤压力传感器包括被腐蚀成凹腔的单模光纤、石墨烯薄膜，单模光纤的端面腐蚀出一个凹腔，再将石墨烯薄膜呈悬浮的状态粘附到带凹腔的单模光纤端面，所述腐蚀出的凹腔底面与石墨烯薄膜构成了法珀腔。首先对单模光纤端面进行化学腐蚀，腐蚀得到所需要的凹腔，将悬空基底上的石墨烯产品，放入去离子水中轻轻释放，石墨烯薄膜就会悬浮在液体表面，用所述腐蚀后的单模光纤凹腔端粘附石墨烯薄膜，凹腔底面和石墨烯面就形成了一个F-P腔。

光电转换电路原理图如图3所示，包括光电二极管Q10，若干电阻R1～R5，可调电阻Rp，两个三极管Q1、Q2，第一电容C1。该电路中第四电阻R4与光电二极管Q10、第一电容C1并联，光电二极管Q10正极连接GND，且负极与第一电阻R1连接，第一三极管Q1基极连接至光电二极管Q10与第一电阻R1共点，第一三极管Q1集电极连接可调电阻Rp一端至电源VCC，且在共点处连接第二三极管Q2基极，第一三极管Q1发射极连接第二电阻R2至GND。第二三极管Q2发射极接第五电阻R5至电源VCC，第二三极管Q2集电极接第三电阻R3至GND，第二三极管Q2集电极为输出端。该光电转换电路采用结构简单、性价比高、使用方便的光电二极管作为感光器件，光电二极管和普通二极管一样由PN结构成，具有单向导电性，在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流，有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流，光的强度越大，反向电流也越大，光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号。所使用的光电二极管为光纤InGaAsPIN光电二极管，带宽2GHz。因为系统受噪声影响大，为了尽量减小噪声对系统的影响，选用超低噪声系列光电二极管，其暗电流为0.01nA，工作时的光电流最大可达10mA，暗电流噪声基本可以忽略不计。光电二极管工作在1500nm时，响应度为每1mw强度的光照产生0.9mA光电流。光电二极管与电阻串联分压，当石墨烯光纤压力传感器所受压力变化时，则输出光信号性质发生变化，两级放大电路中三极管基极电压与集电极电压随之发生变化，即可使输出电压随石墨烯光纤压力传感器所受压力变化。当石墨烯光纤压力传感器所受压力较小时，光电二极管输出电流较小，则光电转换电路输出电压较小，当石墨烯光纤压力传感器所受压力较大时，光电二极管输出电流较大，则光电转换电路输出电压较大。

A/D转换电路原理图如图4所示，包括若干电阻R6～R9，直流电源Er，开关K1～K3，第二电容C2，积分器U1，比较器U2、U3，计数器U4、U5，寄存器U6、U7，时钟发生器CLK，开关控制模块。输入Ui依次接第一开关K1，第六电阻R6至积分器U1反相端，积分器U1反相端连接第二电容至积分器U1输出端，积分器U1正相端接地，第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9串联后与直流电源Er并联，第七电阻R7连接第二开关K2至第一开关K1与第六电阻R6共点，积分器U1输出端接第一比较器U2反相端，第一比较器U2正相端接第七电阻R7、第八电阻R8的共点，积分器U1输出端接第二比较器U3反相端，第二比较器U3正相端接地，第一比较器U2输出端、第二比较器U3输出端接开关控制模块，开关控制模块用于根据输入信号的大小选择使用快速回积或者慢速回积计数，输入信号处于较高电压时切换高位计数，处于较低电压时采用低位计数。计数器U4、计数器U5分别接寄存器U6、寄存器U7，寄存器U6为高位输出，寄存器U7为低位输出，寄存器U6、U7输出接报警模块，开关控制模块分别接开关K1、开关K2、开关K3。所述计数器U4、U5为两片八进制计数器。A/D转换电路有三个工作阶段如下：

(1)采样期：开关K1接通，开关K2、K3断开，积分器对输入电压Ui进行积分，当计数器计满数值，最高位产生进位信号至开关控制模块，开关K2接通，开关K1、K3断开。

(2)快速回积阶段：开关K2接通，开关K1、K3断开，积分器对极性与Ui相反的基准电压Er积分，同时计数器U4从0开始计数。当积分器输出电压上升到比较电平Er时，比较器输出一个信号，通过开关控制模块发出一个与时钟脉冲同步的控制信号，使K2断开，K3接通，计数器U4停止计数。则在该阶段积分的时间由计数器U4测出，相应的计数值为N2。

(3)慢速回积阶段：开关K3接通，开关K1、K2断开，积分器对极性与Ui相反的基准电压Er/2ⁿ开始积分。当积分器的输出电压上升到0V时，比较器U3输出一个信号去控制开关控制模块，因此K3断开，积分器停止积分。该阶段积分时间T3由计数器U5测出，相应的计数值为N3。

在一个AD转换周期内，输入电压Ui满足：

Ui＝Er×(2ⁿ×N2+N3)/(N1×2ⁿ)

其中可将n设置为8，由此可得在慢回积阶段分辨率提高了2⁸倍，该压力传感器可测量范围为0.1-800MPa。

所述报警模块由比较器、蜂鸣器和LED组成。当压力值输出的数字信号超出传感器设置的阈值时，报警模块触发蜂鸣器和LED灯，蜂鸣器发出声响，LED开始闪烁。

本发明将压力采集与数字量化集为一体，不需要单片机进行数字化处理，而是实时采集压力强度通过硬件电路进行数字化转换，性能稳定，转换精度高，并且在光电转换电路使用两级放大，增大了电路的放大倍数，也稳定了电路的静态工作点，加了可变电阻器可以根据需要调整压力区分度，在A/D转换电路中，设置两个不同的基准电压，在不同的基准电压下回积的速度不同，在积分器输出电压接近零点时，基准电压突然变小，则降低了积分器输出电压的斜率，从而提高分辨率，而在输出电压较高时，接入数值较大的基准电压，可增大转换速度，再根据井下实际情况设置安全阈值，若输出值超过安全阈值，触发安全警报。

Claims (6)

1.一种井下压力报警装置，其特征在于：包括光源、光纤耦合器、石墨烯光纤压力传感器、光电转换电路、A/D转换电路和报警模块，所述光源、石墨烯光纤压力传感器和光电转换电路通过光纤耦合器相连；所述石墨烯光纤压力传感器包括一端设有凹腔的单模光纤，在端面设有一层石墨烯薄膜封住凹腔形成F-P腔；光源发出的光信号通过光纤传输，经光纤耦合器传输至所述石墨烯光纤压力传感器，经所述F-P腔调制后的光信号经光纤耦合器被光电转换电路接收，所述光电转换电路将所述调制后的光信号转换成电信号并放大，通过A/D转换电路将电信号以二进制数字信号输出，通过报警模块与设定阈值相比较，超出阈值时报警。

2.根据权利要求1所述的井下压力报警装置，其特征在于：所述A/D转换电路包括三个分压电阻、开关控制模块和两套计数回路，通过三个分压电阻串联对直流电源分压，引出两个不同大小的基准电压，所述开关控制模块将输入信号与基准电压相比较，根据输入信号的大小选择使用计数回路，输入信号处于较高电压时切换高位计数回路，处于较低电压时切换低位计数回路。

3.根据权利要求1所述的井下压力报警装置，其特征在于：所述光电转换电路包括光电二极管、若干电阻、可调电阻、两个三极管和电容；第四电阻(R4)与光电二极管、第一电容(C1)并联，光电二极管正极接地，负极经第一电阻(R1)连接电源(VCC)，第一三极管(Q1)的基极连接至光电二极管的阴极，第一三极管(Q1)的集电极经可调电阻(Rp)连接至电源(VCC)，第一三极管(Q1)的发射极经第二电阻(R2)接地；第二三极管(Q2)的基极与第一三极管(Q1)的集电极相连，第二三极管(Q2)的发射极经第五电阻(R5)接至电源(VCC)，第二三极管(Q2)的集电极经第三电阻(R3)接地，第二三极管(Q2)的集电极作为电路输出端。

4.根据权利要求1所述的井下压力报警装置，其特征在于：所述光纤耦合器采用具有三个端口的双分支1x 2耦合器。

5.根据权利要求1所述的井下压力报警装置，其特征在于：所述光源采用放大自发辐射光源，其光谱范围为1529～1564nm。

6.根据权利要求1所述的井下压力报警装置，其特征在于：所述报警模块包括比较器和蜂鸣器。

Images