基于MSP430控制的微芯片示蹤器電路系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用

李鵬 張珩

摘 要 在鉆井工程中，掌握井內(nèi)溫度和壓力數(shù)據(jù)有利于對井下故障的提前預(yù)測和合理規(guī)避，而現(xiàn)有溫壓檢測系統(tǒng)多表現(xiàn)不佳或仍有進(jìn)步空間。為滿足在鉆井作業(yè)中對井筒溫度和壓力分布的有效檢測，本文進(jìn)行基于MSP430控制的微芯片示蹤器的應(yīng)用探索，從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路、微型化采集技術(shù)、高效電源管理技術(shù)和抗溫抗壓封裝技術(shù)四方面展開論述，以期構(gòu)建科學(xué)有效的隨鉆溫壓檢測系統(tǒng)并生成井筒壓力和溫度分布剖面。

【關(guān)鍵詞】鉆井工程 MSP430 示蹤器 電路系統(tǒng)

在石油鉆井作業(yè)中，對井筒的溫度、壓力的數(shù)據(jù)測量十分重要，這兩者的數(shù)據(jù)變化直接反映井內(nèi)流體和井壁的穩(wěn)定性，因此，實(shí)時(shí)全面的溫壓信息能有效發(fā)現(xiàn)井內(nèi)異常，對穩(wěn)定高效進(jìn)行鉆井作業(yè)有深遠(yuǎn)意義。

現(xiàn)有的對井下溫度和壓力的測量方式主要包括電纜測量和隨鉆測量兩種方式。電纜測量方式主要是纜繩和鉆桿的碰撞、摩擦難以解決，且傳回?cái)?shù)據(jù)稍有延遲，測量實(shí)時(shí)性差。隨鉆測量方式在定向鉆井中的應(yīng)用十分普遍，能連續(xù)對鉆頭附近的溫度、壓力、方向角等進(jìn)行測量傳輸，但測量局限于鉆頭附近，對于井筒整體溫壓數(shù)據(jù)測量難以實(shí)現(xiàn)。

隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展，石油工業(yè)也逐漸對微系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用和延伸，國外雖對這部分早有研究和試驗(yàn)，卻沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用，而國內(nèi)對于此方面的研究較少。為對國內(nèi)隨鉆測量的微系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用提供更多參考，筆者就基于MSP430控制的微芯片示蹤器電路系統(tǒng)進(jìn)行初步探究。

1 微芯片示蹤器系統(tǒng)整體框架500

1.1 示蹤器系統(tǒng)整體工作原理

采用示蹤器系統(tǒng)進(jìn)行測量作業(yè)時(shí)，先由泵送裝置將示蹤器泵入井筒，隨鉆井液流體移動(dòng)至鉆頭水眼進(jìn)入環(huán)空，經(jīng)環(huán)空回至地面。在整個(gè)循環(huán)過程中，示蹤器進(jìn)行連續(xù)的測量，并將數(shù)據(jù)傳回電腦分析，電腦就數(shù)據(jù)生成井內(nèi)溫壓分布圖，方便操作人員對井下狀況進(jìn)行判斷，有效避免井下故障發(fā)生。

由于示蹤器在井內(nèi)狹小空間及高溫高壓環(huán)境限制，示蹤器必須具備體積小、功耗低、耐高溫高壓等特點(diǎn)，對示蹤器的設(shè)計(jì)及制作有了更高技術(shù)要求。

1.2 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)包括模擬電路板和數(shù)據(jù)采集電路板兩部分，前者主要對壓力傳感器傳出的信號進(jìn)行濾波和放大，后者負(fù)責(zé)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)操作。考慮到體積、功耗和溫壓耐度對總體電路框架設(shè)計(jì)如下（見圖1）。

在整體電路框架中：EPB壓力傳感器輸出的是模擬信號，信號幅值小，不能直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此需將接收到的壓力信號進(jìn)行過濾和放大，傳輸給采集電路；溫度信號通過LM75溫度傳感器與采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；采集電路控制器采用MSP430微控制器，數(shù)據(jù)存儲在自帶的FLASH存儲器內(nèi)；微控制器支持有線傳輸；整個(gè)電路由電池進(jìn)行供電。

2 相關(guān)技術(shù)支持

2.1 系統(tǒng)微型化采集技術(shù)

微芯片示蹤采集系統(tǒng)主要包括壓力傳感器單元、溫度傳感器單元、微處理器單元和通訊接口四部分。其中，壓力傳感器單元是一個(gè)壓阻式壓力傳感器，負(fù)責(zé)壓力信息采集；溫度傳感器類似，負(fù)責(zé)井內(nèi)溫度信息采集；低功耗MSP430微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并存儲；通過通訊接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取及操作。

在溫度、壓力傳感器方面，傳感器的性能決定了數(shù)據(jù)測量的精度，因此傳感器的選取十分重要。對于溫度傳感器，由于集成電路溫度傳感器測量溫度環(huán)境可達(dá)150℃，符合常規(guī)鉆井要求，因此采用集成電路溫度傳感器。對于壓力傳感器，采用擴(kuò)散硅壓力傳感器，因其具備靈敏度高、耐腐蝕、抗高壓且工作領(lǐng)域?qū)挼奶匦浴?/p>

同時(shí)，為準(zhǔn)確測量井內(nèi)溫度、壓強(qiáng)的時(shí)間信息，需要啟用MSP430微處理器內(nèi)的RTC組件，實(shí)現(xiàn)時(shí)間日歷的功能。另外，關(guān)于數(shù)據(jù)存儲，將溫度、壓力數(shù)據(jù)存儲進(jìn)FLASH存儲器內(nèi)，并加入時(shí)間標(biāo)簽，結(jié)合時(shí)深轉(zhuǎn)換，可生成井內(nèi)溫壓分布剖面。

2.2 系統(tǒng)高效電源管理技術(shù)

進(jìn)行電源高效管理，主要可通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)：

2.2.1 斷續(xù)供電方式

整個(gè)電路系統(tǒng)采用電池供電實(shí)際電力十分有限，解決方式除了采用低功耗的傳感器和處理器外，同時(shí)可采用斷續(xù)供電的模式。斷續(xù)供電方式具體實(shí)施時(shí)機(jī)制是，在每個(gè)兩秒的前200毫秒里，閉合開關(guān)使傳感器工作，其他時(shí)間傳感器不工作，由于井內(nèi)流體速度大約是1/m左右，傳感器實(shí)際采集的就是每兩米一次的抽樣，仍能客觀有效的反映井內(nèi)溫壓變化。

2.2.2 休眠喚醒機(jī)制

微處理器在休眠狀態(tài)，切斷外部電源供應(yīng)，只給時(shí)鐘模塊供電，這種模式極其省電，常規(guī)狀態(tài)下可維持幾十年。這樣，示蹤器泵入井內(nèi)可進(jìn)入休眠狀態(tài)，待到使用時(shí)由外部信號喚醒，進(jìn)行工作。

2.2.3 軟件控制方式

采集系統(tǒng)需要完成信息采集、存儲、發(fā)送和時(shí)間計(jì)數(shù)等功能，多任務(wù)實(shí)時(shí)性高，因而需要軟件控制編排。具體實(shí)施方式為：計(jì)數(shù)器每一秒中斷一次，計(jì)數(shù)值加一，數(shù)據(jù)采集執(zhí)行，當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)達(dá)到兩秒時(shí)，將會切斷數(shù)據(jù)采集，中斷響應(yīng)中應(yīng)完成數(shù)據(jù)采集和存儲，并切斷溫度、壓力傳感器工作。另外，在計(jì)數(shù)器中斷響應(yīng)中設(shè)置了對外輸入信號的判斷，當(dāng)接收到外部輸入信號時(shí)，所有數(shù)據(jù)通過串口發(fā)出，以此保證FLASH存儲器中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速下載。

2.3 系統(tǒng)抗溫抗壓封裝技術(shù)

微芯片示蹤器要在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境中工作，需要對示蹤器進(jìn)行外部保護(hù)套，即需要封裝技術(shù)。封裝的目的是為了保護(hù)內(nèi)部部件不受液體浸濕、腐蝕，排除內(nèi)壓載荷干擾，營造良好的精度測量環(huán)境。

封裝材料包括金屬材料和非金屬材料兩類。以不銹鋼、鋁合金為代表的金屬材料具有抗壓、耐溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，加工簡便、可自由拆卸但密度大；反觀非金屬材料，在溫壓、腐蝕、強(qiáng)度方面也具有良好表現(xiàn)力，但材料固化后不可拆卸。

因此在示蹤器封裝問題上，應(yīng)將兩種材料相結(jié)合，各取所長，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中探求良好解決方案。

3 結(jié)論

采用基于MSP430的微芯片示蹤器電路系統(tǒng)，使得電路微型化和低耗能并精確進(jìn)行井筒溫度、壓力測量成為可能，且在初步檢測中表現(xiàn)良好。但在具有可行性的基礎(chǔ)上，仍需更多探索如封裝材料選取、設(shè)備構(gòu)造布置、實(shí)踐性檢驗(yàn)等。

參考文獻(xiàn)

[1]朱祖揚(yáng)，張衛(wèi)，倪衛(wèi)寧，李三國，李繼博.基于MSP430的微芯片示蹤器電路系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，06：40-42+48.

[2]朱祖揚(yáng)，李光泉，張衛(wèi)，李三國，倪衛(wèi)寧.井筒微芯片示蹤器研制[J].石油鉆探技術(shù)，2013，05：111-114.

作者單位

1.西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西咸陽 712082

2.國網(wǎng)西安供電公司建設(shè)部 陜西西安 710032