井下压力、流速数据采集系统及其课程设计

目录

前言...................................................................2

1井下压力、流速数据采集系统概述.......................................3

1.1设计目标........................................................3

1.2设计描述........................................................3

2硬件系统设计..........................................................5

2.1信号电路板设计..................................................5

2.2压力传感器.....................................................5

2.2.1压力传感器的定义...........................................5

2.2.2压力传感器原理.............................................5

2.3磁电式转速传感器................................................6

2.4信号调理电路....................................................6

241.压力信号调理电路...........................................7

2.4.2流速信号调理电路.........................................7

2.5仪表放大器......................................................7

2.5.1仪表放大器的概念...........................................7

2.6主机板电路设计..................................................9

2.7通信电路板设计.................................................11

3软件设计.............................................................13

3.1压力数据采集子程序.............................................13

3.2流速数据采集子程序.............................................15

3.3串行口设置和串行中断服务子程序.................................16

3.4IDL方式，延时等待子程序......................................19

4调试过程.............................................................20

4.1软件调试......................................................20

4.2仿真调试......................................................20

5结论................................................................21

附录..................................................................22

什么是压力传感器以及其分类.........................................22

什么是磁电式传感器.................................................22

仪表放大器及应用...................................................23

参考文献..............................................................24

油井压力、流速数据采集系统

-XX___1—

刖百

目前，我国油井测试仍以手工测试为主，半自动为辅。在测试过程中，由于外界

干扰及人为因素造成的测试稳定性和准确性较差等问题较为突出。因此，迫切需要研

究

具有高效、高性能的测试方法和测试设备。计算机功能强大，可以帮助我们解决

这一难题，但由于计算机过于笨重，携带不方便，对现场工况条件要求较高，抗干扰

能力较差，通常无法胜任于条件较为恶劣的环境。因此，我们考虑用单片机去完成。

目前，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等优点,

在过程控制、数据采集、机电一体化方面得到了广泛应用。

在石油开采过程中，需要确切地了解油井内部的原油压力和流速，这对于有效地

提高油井的产量有十分重要的意义。本系统可以随油井钻头深入井下，实地采集并存

储第一手的压力和流速数据。返回地面后，把数据送入计算机内，为分析油井状况提

供准确的原始资料

基于上述条件，我们设计出一种用于井下压力、流量数据采集系统，可以方便地

到油田现场采集数据。

2

（论文）

1井下压力、流速数据采集系统概述

1.1设计目标

本系统使用89C51作为控制芯片，对来自压力及流速传感器的信号进行采集，并把采集

到的数据存放在数据存储器中。系统可以工作在标定和实际测量两种工作状态下。标定状态

是为了修正系统误差而在测量前进行一组标准压力和流量数据的测量。具有可与通用计算机

连接的串行通信接口。在等待状态时，系统工作在低功耗方式。系统具有工作状态显示系统,

可以显示标定、测量、通信、等待等不同的工作状态。

1.2设计描述

为取得特定油井深度下的原油压力及流速数据，本系统的工作时序必须与钻头进入油

井的时间和所到达的深度相符合。在转头进入油井后的确定时间内，系统处于等待状态；

当钻头到达预定的深度以后，系统自动开启并开始采集第一次数据；随后进入等待状态，

等待下一次的数据采集。这样的采集进行六次，随后系统便停止工作，处于低功耗状态；

系统框图如下

图1-1系统框图

待重新回到地面后，再与计算机连接，把采集到的数据输入计算机进行进一步的处理。由

于系统在工作前可以进行标定，所以处理后的数据能比较准确地反映油井内原油的压力和

流速的真实情况。

由于系统处于地下高温的工作环境中，对于所有芯片的温度要求比较苛刻；再者受钻

3

井下压力、流速数据采集系统

头尺寸大小的限制，需要整个系统小型化；系统一次工作时间可能长达八小时，仅靠小型

电池供电；所以要求整个系统的功耗极低。选用89c51芯片，它的丰富的I/O功能满足了

系统的要求。其特有的低功耗工作方式用于系统的等待状态可以极大地降低功耗。

4

（论文）

2硬件系统设计

2.1信号电路板设计

信号电路板由压力传感器和流量传感器组成。

2.2压力传感器

2.2.1压力传感器的定义

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的转换规律转换成可用的输出信号的器件

或装置压力传感器是以压力为被测量，进而转换为电信号的装置，它具有广泛的用途。

2.2.2压力传感器原理

电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下

产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片

变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换

为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应

变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

图2-1压力传感器

5

井下压力、流速数据采集系统

2.3磁电式转速传感器

磁电式转速传感器，又称变磁阻式转速传感器(以下简称传感器)它和测速发电机都

属于感应式转速变换器，都是利用法拉弟电磁感应原理将机械转速量转换成电量的能量转

换型检测器。

传感器的基本结构如图2-2所示。它主要由两部分组成。由磁铁1、感应线圈以(下

简称线圈)2和用软铁制成的极靴(又称极掌)构成固定部分。这里的磁铁可以是永久磁

铁，也可以是套在软铁上并通以直流电流的线圈一一电磁铁。传感齿轮4是可动部分。它

是用铁磁材料制成的，可随被测轴转动，又称为感应齿轮或脉冲齿轮(以下简称齿轮)。

传感器的可动部分还可以制成叶轮、槽轮或凸轮等形状，常以制成齿轮形状为多。将线圈

套在磁铁或极靴上，极靴对准齿轮轮齿并与其相隔一定工作问隙就构成一个最基本的传感

器。

当使传感器工作时，齿轮由被测轴带动旋转。其齿顶和齿谷交替经过极靴。由于极靴

与轮齿间空气间隙的交替变化引起磁场中磁路磁阻Rm的改变，使通过线圈的磁通也交替

变化，从而线圈两端就产生电势。齿轮每转过一个齿，电势正好经历一个周期T。若齿轮齿

数为Z,转动数度为ns/min,则

T=60/Zn(s)(2-10)

电势频率为

6Zn/60(Hz)(2-11)

可见传感器的电势频率与被测转速成正比，故人们可以用电子计数器通过测量信号频率来

确定被测转速。

图2-2磁电式转速传感器

2.4信号调理电路

信号电路板原理图如图3-1所示。它通过插座W与压力传感器相连，通过插座W，与

流速传感器相连。其中包含压力信号调理电路流速信号调理电路、流速信号调理电路和模

6

(论文)

拟电源控制电路。

模拟电源控制电路：为了降低整个系统的功耗，模拟电路的电源仅在采集信号和流速

信号时才开通，而在其他时间是关闭的。电源开关由三极管P1(9012)担当其基极由单片

机的P1.0口线控制

2.4.1.压力信号调理电路

这里包含稳电源、仪表放大器、负电压发生电路及V—F变换电路。

稳电源电路是为压力传感器桥路提供恒压源。由稳压管Z(LM136),电阻R3及运放U6

组成。运放U6:B(LM224)的作用是增强驱动能力。

负电压发生电路主要产生一个一5V的电压，为仪表放大器U4QNA118)提供负电源。

电路由U7和电容C5、C6组成。

仪表放大器U4(INA118)可将压力传感器桥路输出毫伏(mV)级电压放大，以适

应V—F变换器U5(AD654)的需要。电阻R7是调节仪表放大器的放大倍数用的。

V—F变换电路：由V—F变换U5(AD654)/、输入电阻RIO、R11及电容C3组成。输

入信号的范围为0〜IV,频率输出范围在0~100kHzo频率输出信号输入单片机的T0端，

用定时器/计数器T0来记录脉冲数，以与传感器感受的压力成比例关系。

2.4.2流速信号调理电路

由磁电式转速传感器输出的慢变信号经电容C1隔直之后，先由运放U6:A放大，然

后经运放U6:D、U6:D和相关的电阻及电容整形输出到单片机的T1端，用定时器/计数器

来记录脉冲数，以与传感器数成比例关系。

2.5仪表放大器

2.5.1仪表放大器的概念

仪表放大器是•种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具1有差分

输出和相对参考端的单端输出，随着电子技术的飞速发展，仪表放大器也得到广泛的应用。

7

井下压力、流速数据采集系统

图2-3信号电路板原理图

8

(论文)

2.6主机板电路设计

其中包含单片机89c51(U1)、扩展外部数据存储器6264(U2)、工作状态指示单元、

复位电路及晶振等。为了降低功耗，晶振的频率选的很低，为了通信波的计算，晶振频率

选为3.686411MHz。片外数据存储器6264为8KB的随机存储器，用于存放采集的数据。

9

井下压力、流速数据采集系统

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图24主机板电路原理图

10

（论文）

2.7通信电路板设计

通信接口板电路的原理图如图所示。当系统从井下采集完数据回到地面或进行标定实

验时，该板用插座wu与主机板上的wi连接。

当系统进行标定时，按下按钮S2,接通系统电源，系统将开始运行标定程序；若不压

下按钮S2接通电源，系统将开始运行工作程序。

在系统采集完标定数据或井下数据与PC机通信时，此时系统处于休眠状态。按下按

钮S2唤醒单片机，从而开始数据传送工作。

11

井下压力、流速数据采集系统

图2-5通信接口板电路的原理图

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（论文）

3软件设计

主程序的流程见图可以看出，整个程序分为数据采集和流速标定程序两部分；若为0,

则转入流速标定程序。1数据采集程序

从数据采集的流程看，程序的执行可以分为4个阶段：等待数据采集、数据采集、采

集结束等待返回及数据回放。

在等待数据采集阶段，系统处于低功耗的等待状态，主要是等待油井钻头深入地下，

达到预定部位后再开始采集数据。计时采用定时器TO,IDE方式等待中断，时间约为4个

小时。时间达到4个小时后，系统进入数据采集阶段。本阶段共采集6组数据，每组数据

约需lOmin。完成6组数据采集后，系统进入采集结束等待返回阶段，等待钻头返回地面。

到达地面后，即可将系统与主机相连接。按下S2键，系统首先处于等待串行口中断，等

待主机将数据回收、存盘。至此就完成一次数据采集任务。

流速标定程序

整个标定程序主要是，为了修正系统误差而测定的一组标准压力和流速数据，据此计

算出实际传感器的压力和流速系数，作为最后数据处理的依据。整个标定程序又分压力标

定程序和流速标定程序两部分，标定的过程与数据采集的过程相似，只是起始的等待时间

缩短为20min,每组数据的采集间隔为2min。

3.1压力数据采集子程序

设定定时器T1为定时方式，定时时间为20ms。晶振为3.686411MHz时，定时时间

常数为0E804H。同时设定定时器TO为计数方式，所计压力脉冲写入片外RAM中。

YALI:MOVTMOD,#15H；T1为定时方式，TO为计数方式

MOVTL0,#00H；清计数器

MOVTH0,#00H

MOVTL1,#O4H；时间常数为0E804H(3.686411MHz)

MOVTH1,#OE8H

ORLIP,#08H；定时器TO中断具有最高优先权

13

井下压力、流速数据采集系统

开始

14

（论文）

图3T主程序流程图

SETBTRO；启动计数器

SETBTRI；启动定时器

SETBET1；开定时中断

SETBEA方CPU中断

ORLPCON,#01H;IDL方式等待定时中断

CLRTRO；关闭计数器

CLRET1；关定时器

CLREA;关CPU中断

MOVA,TH0；存压力脉冲值，高位在前

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

MOVA,TL0

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

MOVA,TL0

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

RET

3.2流速数据采集子程序

设定T0为定时器,定时时间为100ms/次,采集时间为6s=100ms/次*60次；设定T1

为计数方式，所计流量脉冲写入片外RAM中

LIU:MOVTMOD,#51H；T0为定时方式，T1为计数方式

MOVTMOD,#51H；重复设定一次

MOVTLl,#00H

MOVTHI,#00H；清计数器

MOVTL0,#14H淀时时间为100ms

MOVTH0,#88H；时间常数为8814H(3.686411MHz)

ORLIP,#02H；定时器T0中断具有最高优先权

SETBTRI；启动计数器T1

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井下压力、流速数据采集系统

SETBTRO；启动定时器TO

MOVR2,#60;延时6s=100ms/次*60次

LIUI:SETBETO；开定时中断

SETBEA；fFCPU中断

ORLPCON,#01H；IDL方式等待定时中断

DJNZR2,LIUI

CLRTRI；关闭计数器T1

CLRTRO；关闭定时器T0

MOVA,TH1；存流量脉冲值，高位在前

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

MOVA,TL1

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

RET

3.3串行口设置和串行中断服务子程序

串行口设置SMO(SCON.7尸1,SMI(SCON。6)=1.9位，波特率可变，SM2(SCON.5)

=0,REN=1允许串行接收

MOVSCON,#ODOH

SETBP3.0;置P3.0口为输入状态

CLRRI；清串行中断标志

CLRET1；禁止定时器T1中断

SETBTRI；启动比特率发生器

ORLIP,#10H；串行通信中断具有最高优先权

SETBES；开串行通信中断

SETBEACPU中断

CLRPl.l；红灯亮，等待接收PC机的信号

ORLPCON,#01H;IDL等待串行中断

CLRTRI；关波特率发生器

CLRES；关串行中断

CLREA;关CPU中断

SPINTI:AJIMPSPINT；串行中断服务子程序

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（论文）

SPINT:CLRRI

CLRRSI；指向1体寄存器

SETBRSO

CLRIE.7

SPLP:MOVR2,#3H;接收来自PC机的同步信号

MOVA,SBUF

SPLPO:CJNEA,#01H,SPRET;接收3个01H

ACALLSPIN

DJNZSPIN

CJNEA,#33H,SPRET；接收1个03H

ACALLSPIN

CJZEA,#33H,SPLP2；若PC机发来33H,表示发出

；8192个数据区首地址

MOVDPTR,#0

MOVR7,#20H

SPLP16:MOVR6,#0

SPLP17:ACALLSPIN

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

DJNZR6,SPLP17

CPLPl.l；每接收256个字节，红灯闪一次

DJNZR7,SPLP16

AJMPSPRET

SPLP2:CJNEA,#55H,SPTRET;若PC机发来55H

；表示将由单片机发送状态

MOVR2,#0FFH

SPL21:CLRREN

CLRP3.0

SETBP3.1

DJNZR2,SPLP21

MOVR2,#2；使发送处于空闲状态

MOVA,#0FFH

SPLP22:ACALLSPOUT

DJNZR2,SPLP22

MOVR2,#3；向PC机发送同步信号

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井下压力、流速数据采集系统

MOVA,#01；发送3个01H

SPLP23:ACALLSPOUT

MOVR2,SPLP23

MOVA,#03；发送一个03H

ACALLSPOUT

MOVDPTR,#0；指向数

；据区首地址

MOVR7,#20H;发送8192个数据

SPLP3O:MOVR6,#0

SPLP3:MOVXA,@DPTR

ACALLSPOUT

INCDPTR

DJNZR6,SPLP3

CPLPl.l;每发送256个字节

；红灯闪一次

DJNZR7,SPLP30

STRET:CLRRSO；恢复0体寄存器

CPLRSI

RETI；串行中断返回

ORG400H

SPIN:JNBRI,$；串行接收子程序

CLPRI

MOVA,SBUF

MOVC,P

JNCSPINL1

JBRB8,SPINR

CLRC

SJMPSPINR

SPINL1:JBRB8,SPINR

SPINE:SETBC

SPINL2:RET

SPOUT:MOVC,P；串行发送子程序

CPLc

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（论文）

MOVTB8,C

MOVSBUF,A

JNBTI,$

CLRTI

MOVR4,#10H

SPOUT1:NOP

DJNZR4,SPOUT1

RET

3.4IDL方式，延时等待子程序

IDL方式，定时器TO定时中断，每100ms一次，晶振为3.686411MHz时，定时时间

常数为8814H(34836)。

IDLTO:MOVTMOD,#01H；T0为定时方式

MOVTL0,#14H；定时时间常数为

;8814H

MOVTH0,#88H

ORLIP,#02H；定时器TO中断

；具有最高优先权

SETBTRO；启动定时器

SETBETO；开定时器T0中断

SETBEA;开CPU中断

ORLPCON,#01H;IDL方式等待定时中断

RET

ORG13H

MOVTL0,#14H；T0中断服务子程序

MOVTHO,#88H;定时时间常数为8814H

CLRETO

CLREA

RETI

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井下压力、流速数据采集系统

4调试过程

4.1软件调试

上电时对系统中进行检测是单片机程序中的一个良好设计，在硬件设计时也应该细细考虑

将各个使用到的芯片、接口设计成容易使用软件进行测试的模式。

检测内容包括：

检测RAM中的单元

检测单片机与RAM之间的地址数据总线。总线即没有相互短路，也没有连接到“地”上。

4.2仿真调试

单片机硬件仿真给单片机开发者带来了极大的方便，在硬件仿真之前，必须做好下面的工

作：

程序编完后，对代码仔细逐行检查，检查代码的错误，检查代码是否符合编程规范。

对各个子程序进行测试。

如果代码有修改，再次对代码进行检查

20

（论文）

5结论

目前，随着我国石油消耗量的持续增长，石油开采设备也得到了快速发展，需要一种

可以在井下采集压力信号和流速信号采集的系统。

本文采用scc“iso”，磁电式转速传感器以及单片机技术等实现了井下压力、流速数

据采集系统的设计。方案在理论上是可行的，并且适用广泛，成本较低。该系统基本可以

实现对压力信号、流量信号的采集并进••步处理，从而由单片机分析出井下压力数据和流

量数据。为石油开采提供了宝贵的数据。

本系统还存在一些不足之处。一是编程复杂，本人还不够熟练。在另一方面由于没有

在实际中进行测试，所以需要进一步研究与实践。

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井下压力、流速数据采集系统

附录

什么是压力传感器以及其分类

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要

是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

压力传感器有好多种，主要有：

1）利用晶体的压电效应的效应的压力传感器

2）利压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器

主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。在现在压力效应也

应用在多晶体上，比如现在的压力陶瓷，包括钛酸钢压力陶瓷、PZT、钝酸盐系压力陶瓷、

铝镁酸铅压力陶瓷等等。

压力效应是压力传感器的主要工作原理，压力传感器不能用于静态测量，因为经过外

力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样

的，所以这决定了压力传感器只能够测量动态的应力。

什么是磁电式传感器

磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为

感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定,

输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为10〜1000Hz）,适用于振动、转速、扭矩

等测量。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传

感器和磁阻式传感器。

线圈相对磁场运动的速度v或角速度3表示，则所产生的感应电动势e为

e=-NBLv

e=-NBSw

式中：1—每匝线圈的平均长度；B—线圈所在磁场的磁感应强度；S—每匝线圈的

22

（论文）

平均截面积.

在传感器中当结构参数确定后，B、1、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场

的运动速度（v或⑹成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度

或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加

速度。

变磁通式乂称（变）磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度.线圈和磁铁静止

不动，测量齿轮（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的

感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。

磁电式转速传感器采用磁电感应原理实现测速，当齿轮旋转时，通过传感器线圈的磁

力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，其幅度与转速有关，转速越高输出电

压越高（0〜a段），输出频率与转速成正比。转速进一步增高，磁路损耗增大，输出电势

己趋饱和（a〜b段），当转速超过b,磁路损耗加剧，电势锐减。

仪表放大器及应用

概述仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高

输入阻抗和高共模抑制比等特点。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网

络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因

而具有很高的共模抑制比（CMR）。

典型应用4.1高边监视器最简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些

精密电阻，常见的高边测量都采用经典的差分放大器（用作增益放大和高边到地的电平转

换）。虽然很多应用中也会使用分离电路，但其输入阻抗较低，而且电阻之间有较大差异。

电阻的匹配必须非常精确才能获得可接受的共模抑制比，任一个电阻值存在0.01%的偏差

都将使CMR降低到86dB；如果偏差为0.1%,将使CMR降低到66dB；而1%的偏差将

使CMR降低到46dB。选择仪表放大器结构时，有一个需要特别关注的参数，即在放大器

任何输出摆幅下，输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。

23

井下压力、流速数据采集系统

参考文献

[1]高光天.传感器与信号调理器件应用技术[M].北京：科学出版社，2004

[2]赵负图.传感器集成电路手册[M].北京：化学工业出版社，2003

[3]:林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2003

[4]陈国成.新型电力电子变换技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]陈平、罗晶.现代监测技术[M].北京：电子工业出版社，2003

[6]夏继强.数据采集系统实用设计[J].自动化学报,2001,19(4):318-410.

[7]徐惠民、安德宁.单片微型计算机原理接口与应用[M].第1版.北京：北京邮电大

学出版社，2006

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（论文）

0引言

目前，我国油井测试仍以手工测试为主，半自动为辅。在测试过程中，由于外界干扰及

人为因素造成的测试稳定性和准确性较差等问题较为突出。因此，迫切需要研究

具有高效、高性能的测试方法和测试设备。计算机功能强大，可以帮助我们解决这一

难题，但由于计算机过于笨重，携带不方便，对现场工况条件要求较高，抗干扰能力较差,

通常无法胜任于条件较为恶劣的环境。因此，我们考虑用单片机去完成。

目前，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等优点，在

过程控制、数据采集、机电一体化方面得到了广泛应用。

在石油开采过程中，需要确切地了解油井内部的原油压力和流速，这对于有效地提高

油井的产量有十分重要的意义。本系统可以随油井钻头深入井下，实地采集并存储第一手

的压力和流速数据。返回地面后，把数据送入计算机内，为分析油井状况提供准确的原始

资料

基于上述条件，我们设计出一•种用于井下压力、流量数据采集系统，可以方便地到油

25

井下压力、流速数据采集系统

田现场采集数据。

1井下压力、流速数据采集系统概述

1.1设计目标

本系统使用89c51作为控制芯片，对来自压力及流速传感器的信号进行采集，并把采集

到的数据存放在数据存储器中。系统可以工作在标定和实际测量两种工作状态下。标定状态

是为了修正系统误差而在测量前进行一组标准压力和流量数据的测量。具有可与通用计算机

连接的串行通信接口。在等待状态时，系统工作在低功耗方式。系统具有工作状态显示系统,

可以显示标定、测量、通信、等待等不同的工作状态。

1.2设计描述

为取得特定油井深度下的原油压力及流速数据，本系统的工作时序必须与钻头进入油

井的时间和所到达的深度相符合。在转头进入油井后的确定时间内，系统处于等待状态；

当钻头到达预定的深度以后，系统自动开启并开始采集第一次数据；随后进入等待状态，

等待下一次的数据采集。这样的采集进行六次，随后系统便停止工作，处于低功耗状态；

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（论文）

系统框图如下

图1-1系统框图

Fig.1-1Systemdiagram

待重新回到地面后，再与计算机连接，把采集到的数据输入计算机进行进一步的处理。由

于系统在工作前可以进行标定，所以处理后的数据能比较准确地反映油井内原油的压力和

流速的真实情况。

由于系统处于地下高温的工作环境中，对于所有芯片的温度要求比较苛刻；再者受钻

头尺寸大小的限制，需要整个系统小型化；系统一次工作时间可能长达八小时，仅靠小型

电池供电；所以要求整个系统的功耗极低。选用89c51芯片，它的丰富的I/O功能满足了

系统的要求。其特有的低功耗工作方式用于系统的等待状态可以极大地降低功耗。

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井下压力、流速数据采集系统

2信号电路板设计

信号信号电路板由压力传感器和流量传感器组成

2.1压力传感器

2.1.1压力传感器的定义

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的转换规律转换成可用的输出信号的器件

或装置压力传感器是以压力为被测量，进而转换为电信号的装置，它具有广泛的用途。

2.1.2压力传感器原理

电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下

产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片

变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换

为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应

变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的儿个主要部分。下面就这

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(论文)

三方面简要论述。

1)电阻应变片

电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，有丝绕式电阻片和箔

式电阻片两大类。丝绕式应变片是用直径为0.003mm〜0.01mm的合金丝绕成栅状而成；箔

式应变片则是用厚度为0.003mm〜0.01mm的箔材经光刻腐蚀工艺制成敏感栅。

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应

变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L,横截面是半径为r的圆形，其面积记作S,其电阻率

记作P，这种材料的泊松系数是小当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R=pL/S(Q)(2-1)

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长AL,其横截面积则

缩小，即它的截面圆半径减少Ar。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻

率也会有所改变，记作Ap。对式(2-1)求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改

变了多少。我们有：

AR=ApL/S+ALp/S-ASpL/S2(2-2)

用式(2-1)去除式(2-2)得到

AR/R=Ap/p+AL/L-AS/S(2-3)

另外，我们知道导线的横截面积S=nr2,则As=2itr*Ar,所以

AS/S=2Ar/r(2-4)

从材料力学我们知道

Ar/r=-gAL/L(2-5)

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。口是表示材料横向效应泊松系数。把式(2-4)

(2-5)代入(2-3),有

AR/R=Ap/p+AL/L+2piAL/L=(1+2g(Ap/p)/(AL/L))*AL/L

=K*AL/L(2-6)

其中

K=1+2g+(Ap/p)/(AL/L)(2-7)

式(2-6)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对

变化)之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,

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井下压力、流速数据采集系统

它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在L7-3.6之间；其次K值是

一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中AL/L称作为应变，记作£,用它来表示弹性往往显得太大，很不方便，常

常把它的百万分之一作为单位，记作“。这样，式(2-6)常写作：

AR/R=Ke(2-8)

2)弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外

力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场(区)，

使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。肓孔底部中心是

承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压

缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受

压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

£=(3Q(1+g)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3)(2-9)

其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：口-泊松系数；B、b、H、h-为梁的几何尺寸。需要

说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

3)检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很

多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决传感器

的补偿问题等。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容

易相互抵销，所以惠斯登电桥得到了广泛的应用。

图2-1压力传感器

Fig.2-1Pressuretransmitter

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（论文）

2.2磁电式转速传感器

磁电式转速传感器，又称变磁阻式转速传感器（以下简称传感器）它和测速发电机都

属于感应式转速变换器，都是利用法拉弟电磁感应原理将机械转速量转换成电量的能量转

换型检测器。不同的是，它是被当作数字式变换器件使用，工作时是取其感应电势以下简

称电势的频率作为输出信号的而测速发电机是被当作模拟式变换器件使用，工作时是采取

其电势的幅度作为输出信号的。这种传感器因具有结构简单，寿命长，输出信号强，抗干拢

能力强，不受油、水雾、灰尘等介质影响的优点，目前在数字式转速测量中得到最为广泛

的应用。

传感器的基本结构如图2-2所示。它主要由两部分组成。由磁铁1、感应线圈以（下

简称线圈）2和用软铁制成的极靴（又称极掌）构成固定部分。这里的磁铁可以是永久磁

铁，也可以是套在软铁上并通以直流电流的线圈一一电磁铁。传感齿轮4是可动部分。它

是用铁磁材料制成的，可随被测轴转动，又称为感应齿轮或脉冲齿轮（以下简称齿轮）。

传感器的可动部分还可以制成叶轮、槽轮或凸轮等形状，常以制成齿轮形状为多。故本文

仅以齿轮形状为例进行介绍。将线圈套在磁铁或极靴上，极靴对准齿轮轮齿并与其相隔一

定工作间隙就构成一个最基本的传感器。

当使传感器工作时，齿轮由被测轴带动旋转。其齿顶和齿谷交替经过极靴。由于极靴

与轮齿间空气间隙的交替变化引起磁场中磁路磁阻Rm的改变，使通过线圈的磁通也交替

变化，从而线圈两端就产生电势。齿轮每转过一个齿，电势正好经历一个周期T。若齿轮齿

数为Z,转动数度为ns/min,则

T=60/Zn（s）（2-10）

电势频率为

aZn/60（Hz）（2-11）

可见传感器的电势频率与被测转速成正比，故人们可以用电子计数器通过测量信号频率来

确定被测转速。这就是该种传感器可用于数