陳家林，向　威

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院　湖北　武漢　430205)

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·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

煤層氣井煤粉濃度井下測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

陳家林，向威

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院湖北武漢430205)

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一種具備周期性準(zhǔn)確檢測(cè)煤粉濃度功能，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)上傳至地面控制平臺(tái)的井下煤粉濃度測(cè)量裝置。井下測(cè)量裝置選用微控制器STM32F103作為控制平臺(tái)，通過(guò)采集傳感器數(shù)據(jù)，反饋控制傳感器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的多檔位控制。同時(shí)設(shè)計(jì)反饋溫度補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)煤粉濃度的準(zhǔn)確測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)地面控制終端或者遠(yuǎn)程終端對(duì)井下測(cè)量模塊的參數(shù)設(shè)置以及測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取。通過(guò)煤粉精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到檢測(cè)值與實(shí)際煤粉濃度值的誤差低于0.5×10-2，滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：煤粉濃度;反饋控制;溫度補(bǔ)償

0引言

在煤層氣水平井開(kāi)采過(guò)程中，煤層氣絕大部分以吸附的方式存儲(chǔ)在碳基質(zhì)中，需要降低儲(chǔ)藏壓力才能使煤層氣解吸[1]。通過(guò)排放煤層水，控制井下壓力，實(shí)現(xiàn)氣體的開(kāi)采。在排采過(guò)程中煤粉顆粒會(huì)隨著煤層氣、水進(jìn)入生產(chǎn)直井井筒，據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)煤粉濃度小于1%，生產(chǎn)井安全；煤粉濃度1%～3%，生產(chǎn)井存在卡泵危險(xiǎn)；煤粉濃度高于3%，生產(chǎn)井卡泵危險(xiǎn)性高[2]。所以在井下的排采過(guò)程中，對(duì)煤粉濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得十分重要。

煤層氣煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)由井下測(cè)量模塊、地面終端、數(shù)據(jù)傳輸單元和遠(yuǎn)程控制終端構(gòu)成，井下測(cè)量模塊是整個(gè)系統(tǒng)的底層，主要實(shí)現(xiàn)井下煤粉濃度的測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)串口通信傳送至地面終端，地面終端是遠(yuǎn)程終端與井下底層設(shè)備的通信樞紐，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元(Transfer Data Unit，以下簡(jiǎn)稱DTU)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程終端進(jìn)行存儲(chǔ)分析。煤層氣煤粉濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，因此需要設(shè)計(jì)一套便于安裝使用的井下測(cè)量模塊以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

1井下測(cè)量模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件電路

井下測(cè)量模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　井下測(cè)量模塊系統(tǒng)框架圖

井下測(cè)量模塊的核心控制器為STM32F103。STM32F103系列是意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的使用ARM Coretex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器的微型控制器[3]。STM32F103能適應(yīng)于-40℃～+105℃的溫度范圍，能滿足一般煤層氣井井下30℃～60℃溫度范圍。

傳感器驅(qū)動(dòng)電路是由控制器控制的模擬開(kāi)關(guān)電路，模擬開(kāi)關(guān)使用單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)CD4051，CD4051有A、B和C三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端及INH共4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇合適匹配阻抗，實(shí)現(xiàn)傳感器驅(qū)動(dòng)電流的控制。傳感器驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2　傳感器驅(qū)動(dòng)電路

傳感器驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓如方程(1)所示，其中RL表示模擬開(kāi)關(guān)輸出端電阻，RON表示CD4051的漏源阻抗，R1如圖2所示。漏源阻抗RON會(huì)隨溫度而變化，引起輸出電壓U1的誤差，在井下溫度范圍內(nèi)，RON典型值為470 Ω，最大值是1 050 Ω，選定合適的RL和R1阻值大小，輸出電壓誤差低于1%，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

(1)

傳感器模塊主要由頻率匹配的紅外發(fā)射、接受光電管和運(yùn)放組成，紅外對(duì)管DS1與運(yùn)放UC1構(gòu)成閉路電路，紅外對(duì)管DS2開(kāi)路測(cè)量煤粉濃度。由于紅外發(fā)射管的電流驅(qū)動(dòng)特性，在外界溫度一定的條件下，驅(qū)動(dòng)電流決定發(fā)射管的光通量大小。井下煤粉濃度測(cè)定范圍在0～3%之間，驅(qū)動(dòng)電流過(guò)高，測(cè)量低濃度煤粉溶液精度較差；驅(qū)動(dòng)電流過(guò)低，測(cè)量相對(duì)高的濃度煤粉溶液誤差較高，傳感器驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的多檔位選擇，滿足煤粉濃度測(cè)量精度要求。

在驅(qū)動(dòng)電流不變的條件下，外界溫度的變化會(huì)影響紅外發(fā)射管的工作特性，紅外對(duì)管DS1和運(yùn)放U1C構(gòu)成的閉路電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的恒流補(bǔ)償，采用反饋式溫度補(bǔ)償法[4]能取得很好的溫度補(bǔ)償效果，傳感器模塊電路如圖3所示。

圖3　傳感器模塊電路

2井下測(cè)量模塊軟件設(shè)計(jì)

井下測(cè)量模塊軟件系統(tǒng)由多個(gè)任務(wù)組成，如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)任務(wù)框圖

各任務(wù)實(shí)現(xiàn)功能如下:

1)采樣周期設(shè)置任務(wù)：通過(guò)STM32F103芯片內(nèi)置的嘀嗒定時(shí)器配置采樣周期，使用Systick()中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣任務(wù)。

2)Modbus從站通信任務(wù)：Modbus通信總是由主站發(fā)起。從站沒(méi)有收到來(lái)自主站的請(qǐng)求時(shí)，不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。通過(guò)設(shè)計(jì)Modbus讀寫(xiě)寄存器任務(wù)，實(shí)現(xiàn)主站與從站(井下測(cè)量模塊)的通信功能。

3)傳感器模擬信號(hào)采樣任務(wù)：該任務(wù)執(zhí)行采樣信號(hào)保存運(yùn)算子任務(wù)和反饋控制傳感器驅(qū)動(dòng)子任務(wù)。通過(guò)ADC1通道，對(duì)紅外接收管的電信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采集信號(hào)保存運(yùn)算任務(wù)將采集值代入電壓-煤粉濃度運(yùn)算多項(xiàng)式得到相應(yīng)的煤粉濃度大小；反饋控制傳感器驅(qū)動(dòng)任務(wù)通過(guò)查詢AD采樣的信號(hào)大小，控制傳感器驅(qū)動(dòng)電路輸出電流檔位，保證不同濃度煤粉溶液的測(cè)量精度。井下測(cè)量模塊采樣流程如圖5所示。

圖5　采樣流程圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證井下測(cè)量模塊測(cè)量煤粉濃度的準(zhǔn)確性，調(diào)配濃度為0～4%的煤粉溶液，通過(guò)C#編寫(xiě)的井下測(cè)量模塊上位機(jī)軟件讀取接收管負(fù)載端電壓以及運(yùn)算處理后的煤粉濃度，檢驗(yàn)煤粉濃度測(cè)量準(zhǔn)確性。井下測(cè)量模塊上位機(jī)軟件顯示界面如圖6所示。

煤粉濃度測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)對(duì)五組煤粉溶液進(jìn)行了檢測(cè)，上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。煤粉樣品實(shí)際濃度和煤粉濃度計(jì)算誤差小于，滿足測(cè)量精度要求。

4結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的煤粉濃度井下測(cè)量模塊通過(guò)采集傳感器數(shù)據(jù)，反饋調(diào)制傳感器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了傳感器模塊的多檔位控制，保證了采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。傳感器模塊利用溫度補(bǔ)償技術(shù)能保證測(cè)量裝置適應(yīng)于井下復(fù)雜的溫度環(huán)境。通過(guò)遠(yuǎn)程終端設(shè)置井下測(cè)量模塊采集周期，同時(shí)實(shí)時(shí)讀取測(cè)量濃度，能夠滿足煤層氣氣井煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)采集的基本要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

圖6　上位機(jī)界面

樣品編號(hào)煤粉樣品濃度/%傳感器采樣電壓/V煤粉濃度計(jì)算值/%示值相對(duì)誤差/%10.39263.42690.39190.178320.65913.12600.65830.121431.36502.23531.36440.044042.73561.22652.73490.255653.53550.95233.53470.2260

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 葉建平. 中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展綜述[J].地質(zhì)通報(bào),2006,25(9):1074-1078.

[2] 劉升貴,賀小黑,李惠芳,等. 煤層氣水平井煤粉產(chǎn)生機(jī)理及控制措施[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(4):508-512.

[3] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008：10-13.

[4] 朱燦焰. 光電隔離電路中的溫度補(bǔ)償方法[J].電子技術(shù)(上海),1997,24(12):25-28.

[5] 華镕. 從Modbus到透明就緒[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:34-81.

Design of Pulverized Coal Concentration of Coalbed Methane Down-hole Measurement Module

CHEN Jia lin , XIANG Wei

(CollegeofElectricalInformationofWuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Abstract：To achieve real time monitoring of pulverized coal concentration，a down-hole pulverized coal concentration measurement equipment with the function of detecting periodically is designed, which can upload the collected data to the ground terminal. The microcontroller STM32F103 was selected as the control platform in the equipment. The collected sensor data is sent to control drive circuit of sensor to realize multi-position control of the sensor-integrated module. A temperature feedback compensation circuit is designed to achieve the accurate measurement of pulverized coal concentration and an real-time data reading of ground terminal or remote terminal to parameter settings of down-hole detecting module. The test result shows that the relative error between the detection value of pulverized coal precision measurement experiment and practically pulverized coal concentration is below 0.5×10-2, which meet the design requirement.

Key words：pulverized coal concentration; feedback control; temperature compensation

(收稿日期：2015-10-10編輯：韓德林)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0004-03

第一作者簡(jiǎn)介：陳家林， 男，1962年生，副教授，1982年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在武漢工程大學(xué)從事教學(xué)及科研工作。E-mail：cjltch@163.com