王現(xiàn)彬

(大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司第三大隊(duì) 黑龍江大慶)

阻抗含水率計(jì)全水值自動(dòng)增益電路的設(shè)計(jì)

王現(xiàn)彬

(大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司第三大隊(duì) 黑龍江大慶)

文章介紹了阻抗含水率計(jì)全水值自動(dòng)增益電路的設(shè)計(jì)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在原來(lái)阻抗含水率計(jì)電路的基礎(chǔ)上增加了切換判斷電路和單片機(jī)控制電路。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)的工作程序來(lái)控制激勵(lì)源電阻的自動(dòng)切換,實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)增益功能。通過(guò)室內(nèi)自動(dòng)增益實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了阻抗含水率計(jì)全水值自動(dòng)增益電路的可靠性。通過(guò)室內(nèi)含水率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激勵(lì)源電阻的自動(dòng)切換對(duì)阻抗含水率計(jì)的含水率測(cè)量沒(méi)有影響。

含水率;阻抗;電路;實(shí)驗(yàn);可靠性

0 引 言

阻抗含水率計(jì)[1、2]在大慶油田已經(jīng)推廣使用多年。儀器在井下測(cè)量時(shí),撐傘狀態(tài)下測(cè)量油水混相值,收傘狀態(tài)下測(cè)量全水值,儀器的相對(duì)響應(yīng)由全水值與混相值的比得到,然后通過(guò)查標(biāo)定圖版求得含水率。在使用中發(fā)現(xiàn):全水值測(cè)量主要受水的電導(dǎo)率影響,而水的電導(dǎo)率受礦化度和溫度的影響。通常情況下,在井下水的電導(dǎo)率是自來(lái)水的6～10倍。對(duì)于在自來(lái)水條件下,全水值測(cè)量在700 Hz～1 000 Hz,如果電路參數(shù)不變直接下井,全水值測(cè)量可能就是幾十赫茲。實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)對(duì)比表明:在自來(lái)水條件下全水值測(cè)量如果是2 kHz,在井下測(cè)量最低可達(dá)到80 Hz左右;在自來(lái)水條件下全水值測(cè)量如果低于1 kHz,在現(xiàn)場(chǎng)情況下更低,有可能在50 Hz以下。所以同樣電路參數(shù)情況下全水值測(cè)量差異很大。模擬井標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井通常采取手動(dòng)更換激勵(lì)源電阻的方式讓全水值在量級(jí)上接近。手動(dòng)更換電阻方式極易引起混亂:有時(shí)在模擬井標(biāo)定用的是上井的參數(shù),有時(shí)上井用的是在模擬井標(biāo)定的參數(shù)。所以現(xiàn)場(chǎng)操作人員和儀修人員強(qiáng)烈要求我們?cè)O(shè)計(jì)一種可以自動(dòng)切換電阻的方式來(lái)取代手動(dòng)更換方式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

阻抗含水率計(jì)全水值自動(dòng)增益電路的設(shè)計(jì)要求為:1)通過(guò)判斷電纜2芯的供電狀態(tài)來(lái)判斷儀器處于混相狀態(tài)還是全水狀態(tài)。2)依據(jù)全水值的大小來(lái)切換激勵(lì)源電阻,使輸出的全水信號(hào)幅值達(dá)到合適的幅度。3)每口井只切換一次激勵(lì)源電阻。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以HT46R47單片機(jī)為核心,由激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)電路、持水率處理電路、頻率復(fù)合電路、單片機(jī)控制電路、切換判斷電路和電源供電電路組成,實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示[3、4]。系統(tǒng)能夠根據(jù)不同油井的礦化度,自動(dòng)切換激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)電阻,使恒流源輸出保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制電路的原理[5]如圖2所示。系統(tǒng)軟件主要是單片機(jī)HT46R47-H的工作程序,負(fù)責(zé)讀取切換電路輸出電壓,以決定是否需要進(jìn)行切換。如果需要切換,則進(jìn)一步測(cè)量持水率處理電路輸出的頻率信號(hào)的頻率,并控制MAX313四路開(kāi)關(guān)的通斷,以決定恒流源激勵(lì)電阻的大小;之后將激勵(lì)電阻的狀態(tài)信息均寫(xiě)入串行EEPOM芯片24C01中。如果不需要切換,系統(tǒng)將直接讀取24C01芯片中的狀態(tài)信息,并據(jù)此使能或禁止MAX313的四路開(kāi)關(guān)。

圖2 單片機(jī)控制電路原理圖

自適應(yīng)切換的目的是當(dāng)油井礦化度變化時(shí),尋找到一個(gè)合適的激勵(lì)源電阻,使全水狀態(tài)下阻抗傳感器輸出的頻率在500 Hz～1 000 Hz之間。系統(tǒng)軟件首先測(cè)量電纜2芯上的負(fù)電壓值,如果該芯上供有負(fù)電,則進(jìn)行激勵(lì)源電阻切換。具體切換過(guò)程如下:

1)默認(rèn)狀態(tài)下,即單片機(jī)CH0-CH3全部為低電平時(shí),系統(tǒng)有一個(gè)默認(rèn)的激勵(lì)電阻 R12,如果在 R12的作用下,阻抗傳感器輸出的全水值大于等于500 Hz,則表示當(dāng)前的激勵(lì)電流能力滿足系統(tǒng)要求,不需進(jìn)行切換。

注意:如果這時(shí)阻抗傳感器輸出的全水值為1 500 Hz或2 500 Hz時(shí),也不會(huì)進(jìn)行激勵(lì)源切換,因?yàn)?R12是系統(tǒng)的最大激勵(lì)電阻,其所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流是最小情況,如果此時(shí)傳感器輸出遠(yuǎn)高于500 Hz,則表示當(dāng)前油井水的礦化度太小,阻抗很大,此時(shí)應(yīng)手動(dòng)更換激勵(lì)電阻。

2)如果在 R12的作用下,阻抗傳感器輸出全水值頻率小于500 Hz,如為350 Hz,則表明當(dāng)前激勵(lì)電流小,應(yīng)增大激勵(lì)電流。此時(shí),單片機(jī)把CH0通道打開(kāi),就在 R12上并聯(lián)了一個(gè)電阻,則激勵(lì)電流將翻倍,傳感器輸出頻率值也將翻倍,變?yōu)?00 Hz,滿足使用要求了。

3)在很多情況下,阻抗傳感器輸出頻率經(jīng)1次翻倍可能不夠,所以我們提供了CH0、CH1、CH2、CH3四個(gè)檔。系統(tǒng)的激勵(lì)源電阻就存在如下5種情況:

(1)激勵(lì)電阻 R=R12,激勵(lì)電阻最大,激勵(lì)電流最小。

(2)激勵(lì)電阻 R=R12//CH0。

(3)激勵(lì)電阻 R=R12//CH0//CH1。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 自動(dòng)增益實(shí)驗(yàn)

把阻抗含水率計(jì)放到不同礦化度的水中,測(cè)量?jī)x器的全水值,應(yīng)用“油井綜合參數(shù)測(cè)量?jī)x”進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,驗(yàn)證在不同的礦化度下激勵(lì)源能自動(dòng)切換到合適的范圍。

在清水中輸出頻率為771 Hz,輸出符合要求所以不切換試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 激勵(lì)源輸出頻率圖

在2 000 ppm的鹽水中,激勵(lì)源切換1次由269 Hz～538 Hz,達(dá)到大于500 Hz的要求,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 激勵(lì)源輸出頻率圖

(4)激勵(lì)電阻 R=R12//CH0//CH1//CH2。

(5)激勵(lì)電阻 R=R12//CH0//CH1//CH2//CH3,激勵(lì)電阻最小,激勵(lì)電流最大。

如果在激勵(lì)電阻最小的情況下,阻抗傳感器全水值輸出頻率仍小于500 Hz,系統(tǒng)也將不再繼續(xù)切換了。所以在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇 R12電阻,并適當(dāng)確定各個(gè)激勵(lì)電阻間的倍數(shù)。為了保證正確切換,切記一定要先給2芯供負(fù)電,然后再給1芯供正電,否則不切換。

在4 000 ppm的鹽水中,激勵(lì)源切換2次由155 Hz～295 Hz～598 Hz,達(dá)到大于500 Hz的要求,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5所示。

圖5 激勵(lì)源輸出頻率圖

在6 000 ppm的鹽水中,激勵(lì)源切換3次由79 Hz～158 Hz～312 Hz～640 Hz,達(dá)到大于500 Hz的要求,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 激勵(lì)源輸出頻率圖

在12 000 ppm的鹽水中,激勵(lì)源切換4次由52 Hz～109 Hz～217 Hz～443 Hz～889 Hz,達(dá)到大于500 Hz的要求,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 激勵(lì)源輸出頻率圖

激勵(lì)源切換有四個(gè)檔位,以上試驗(yàn)分別由圖形直觀的顯示了由一至四次切換的結(jié)果,在不同的礦化度情況下均能達(dá)到測(cè)井的要求。

2.2 含水率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在不同的礦化度下,系統(tǒng)切換前、后含水率測(cè)量不受礦化度變化及激勵(lì)源電阻切換的影響。實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)切換前、后分別在2 000 ppm、4 000 ppm、6 000 ppm的鹽水中測(cè)得儀器輸出的全水值及混相值(傳感器插入相同體積的絕緣柱體模擬持水率為60%),然后求出含水率相對(duì)響應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同礦化度下切換前、后同一持水率下含水率相對(duì)響應(yīng)對(duì)比

從表1中可以看出系統(tǒng)切換前、后含水率測(cè)量不受礦化度變化及激勵(lì)源電阻切換的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

阻抗含水率計(jì)全水值自動(dòng)增益電路的設(shè)計(jì),解決了反復(fù)更換激勵(lì)源電阻的問(wèn)題,在測(cè)井時(shí)根據(jù)實(shí)際情況激勵(lì)源最多可以連續(xù)切換四次。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了:在不同的礦化度情況下,激勵(lì)源能夠自動(dòng)切換到適應(yīng)測(cè)井的需要,并且激勵(lì)源的切換對(duì)含水率的測(cè)量沒(méi)有影響。

[1] 劉興斌.多相流測(cè)井方法和新型傳感器研究[D].博士后研究報(bào)告,2000

[2] 胡金海,劉興斌.阻抗式含水率計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),1999,25(增刊)

[3] 盧勝利.智能儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2003

[4] 楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002

[5] 劉大茂.智能儀器(單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998

Wang Xianbin.Design of the automatic gain circuit of the all water value of the impedance water-cut sensor. PI,2010,24(3):23～25

The automatic gain circuit design of the all water value of the impedance water-cut sensor and the in-house experiment are introduced.In the foundation of former circuit of the impedance water-cut sensor,the switched and judged circuit is increased to the hardware system.The autonomous switchover of the excitation resistance controls by the job program of the chip microprocessor in software system to achieve the automatic gain function.The reliability of the automatic gain circuit of the all water value of the impedance water-cut sensor is approved by the in-house automatic gain experiment.The autonomous switchover of the excitation resistance has no influences on the water content of the impedance water-cut sensor by means of the in-house experiment of the water-cut.

water cut;impedance;circuit;experiment;reliability

TE122.2+3

B

1004-9134(2010)03-0020-03

王現(xiàn)彬,男,1983年生,2007年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化系,現(xiàn)在在測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司第三大隊(duì)從事現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井工作。郵編: 163113

2009-11-03 編輯:高紅霞)

·儀器設(shè)備·