潛油電泵井下溫度壓力監測系統研究

白山+++崔景欣+++徐作為

摘 要：文章針對潛油電泵井下溫度壓力監測系統進行研究。地面系統利用星點等勢法為井下監測系統提供所需的直流電壓，并將采集到的電流信號實時處理和傳輸，從而實現對潛油電泵井下工作狀態的在線監測。井下監測系統將傳感器信號通過預處理，轉換為電流信號后利用鎧皮通道傳輸至地面。同時通過不同的地面系統供電電壓來對壓力和溫度的測量進行切換。實驗表明，本系統采用的供電方式簡便，信號傳輸效率高，地面數據處理電路可靠性高，其為優化潛油電泵井下開采提供了可靠的技術支持。

關鍵詞：潛油電泵井下溫度壓力監測；星點等勢法；電流傳輸信號'

1 概述

潛油電泵井下壓力和溫度參數的監測對提升采油技術水平，實現對機組進行故障預測與健康管理，保證潛油電泵持續高效穩定的工作，具有著重要的實際價值。

2 總體方案

綜合潛油電泵的特點，系統利用星點等勢法為井下供電。在井上制作一個三相電抗器作為工星點，并且保證該電抗器的三個繞組各相的參數相同，在電抗器的對稱性足夠好的情況下，星點相當于零點，電機繞組的中性點與地面電抗器的中性點等電勢，三相電抗器可以消除三相高電壓不平衡對系統造成的損害，同時在地面星點處疊加直流電壓，可以對井下進行直流供電。信號傳輸通道原理如圖1所示。在潛油電泵井下工作環境下，電壓容易受到干擾，而且在遠距離傳輸時電纜的阻抗會對傳輸信號有所影響，而電流信號相對穩定，因此潛油電泵井下溫度壓力參數監測系統采用兩線制4～20mA電流信號進行數據傳輸。本系統利用鎧皮作為地線進行信號傳輸通道，具有較強的抗干擾能力，無需單獨鋪設電纜，降低成本。

潛油電泵井下溫度壓力參數監測系統內部硬件按功能主要可分為供電電路、通道切換電路、濾波電路和數據采集電路等。如圖2所示為系統原理圖。地面對井下電路進行分時供電，對數據進行采集；濾波單元減小交流電壓對監測系統的危害；井下通道切換電路根據地面供電電壓不同來切換測量通路；溫度和壓力變送器輸出的電流信號分時通過電纜鎧皮傳輸至地面，并通過三相動力電纜和鎧皮連成一個回路。

3 系統硬件設計

3.1 溫度壓力變送器選型

變送器的性能對潛油電泵井下參數監測系統的信號檢測精度和穩定性有著極大的影響，對變送器的選型應滿足工作溫度下穩定工作，且滿足系統設計的性能指標。本文選用西安新敏電子科技有限公司生產的CYB15壓力變送器和SBYW溫度變送器，這兩款變送器均為直流電壓供電，二線制4～20mA電流信號輸出，適合石油化工領域的工業檢測和控制使用。

3.2 通道切換電路

由于系統需要采集溫度和壓力兩個信號量，因此需要在井下設計一個通道切換電路。本系統采用的通道切換電路是由多通道模擬選擇開關和電壓檢測電路兩部分所組成。以電流信號作為傳輸媒介，對溫度和壓力進行分時數據采集。如圖3所示為通道切換電路。ADG5404是一款互補金屬氧化物半導體（CMOS）模擬選擇開關，內置4個單通道。并且它具有轉換時間快、小于10歐姆導通阻抗、工作輸入電壓范圍寬等特點。導通電阻曲線在整個模擬輸入范圍都非常平坦，可確保開關信號時擁有出色的線性度和低失真性能，完全符合本系統研制要求。

采用LM293芯片是因為其產生的時序時間可控，本系統設置切換時間為20s。在上位機程序上采用的是切斷井下供電延時1s再重新啟動來達到消除時間累積的目的。ADG5405芯片通過加載在A0與A1端的時序信號來選通具體的導通端口。本系統應用的是兩個參數，只需要兩路導通即可，所以應用LM293作為ADG5404的時序觸發信號，在LM293的第3引腳輸出信號并連接到ADG5405的A0與A1管腳，如此便產生了00與11的時序信號，以此來導通S1與S4兩個端口，從而實現通道的選擇，使得溫度和壓力可以分時段切換傳輸。

3.3 濾波電路設計

潛油電泵井下監測系統需要濾波器來消除變頻供電在電機星點中產生的高電壓和三相短路接地時在星點產生的極高脈沖電壓，保證裝置的長時間高效穩定的工作。濾波電路如圖4所示。本文采用串聯電抗及并聯電容的方法來抑制高電壓和高脈沖電壓，從而有效地保護井下溫度壓力變送器。

3.4 溫度壓力采集電路設計

溫度壓力采集電路主要通過AD7705芯片和LPC2378單片機來完成。AD7705采用了Σ-Δ技術，可以獲得16位無誤碼數據輸出。具有兩個全差分輸入通道，可編程單極性或雙極性輸入，前端可編程增益等功能。AD7705具有高分辨率、抗噪聲、自校準、低功耗等特點，十分適合儀表測量和工業控制等領域的應用。圖5所示為本系統數據采集電路。

LPC2378是通過模擬的SPI通信方式以普通I/O接口與AD7705進行連接。D1是穩壓管，D2是肖特基二極管，其作用是為了防止電流過大將AD芯片燒壞。選擇R1、R2是為了增加采樣精度。AIN（+）為信號輸入端，AIN（-）通過+5V電壓、固定電阻R4、R5和可調電阻R3形成一個偽差分通道。通過調節R3可防止數據在輸入端和輸出端邊界時導致轉換的數據失真，使AD轉換的精度到達最高從而使其適應每套系統下不同的電流。

4 系統軟件設計

本系統軟件部分采用C語言編程實現，程序采用模塊化研制，具有可讀性強、移植性高的特點。潛油電泵井下溫度壓力參數監測系統使用NXP公司的LPC2378，該芯片具有抗干擾性強、支持在線編程、低功耗、價格低等特點。其軟件部分主要分為兩部分，其中一部分控制井下電源信號的變化，用于數字濾波、參數采樣和數據發送。另一部分主要完成信號采樣、故障處理等功能。如圖6所示就是主程序的軟件流程圖。系統上電后，先進行初始化系統配置，然后開始讀取當時的時間參數，此時單片機控制繼電器接通60V直流電，開始測量溫度參數，測量20s后，將采集到的時間和溫度參數進行發送。然后將繼電器切換到90V直流電通道，開始測量壓力參數。再將壓力參數進行發送。

5 實驗結果

本文設計的潛油電泵井下溫度壓力參數監測系統在實驗室中進行了模擬工作試驗。試驗采集了大量有效數據，數據分析表明該系統具有較高的精確度和穩定性，可以證明本文中所研究的系統可以在正常的工作環境下穩定工作，并且能夠保持溫度壓力測量的準確性。經過多次測試，該系統表現穩定可靠。所測得的數據如表1所示。

6 結束語

本文對潛油電泵井下溫度壓力參數監測的硬件主要模塊和軟件主程序做了詳細講述。結合潛油電泵的特點，提出采用兩線制電流信號傳輸井下數據，通過地面系統對井下監測系統進行供電，通道切換電路對溫度和壓力進行分時采集。電路調試已經完成，實驗所得數據滿足需求，并且具有較高的穩定性和精確度，具備現場的試驗條件。

參考文獻

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作者簡介：白山（1959-），男，教授級高工，碩士生導師，研究方向為特種電機及其控制。

崔景欣（1990-），男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術及其應用。

徐作為（1990-），男，碩士研究生，研究方向為電機及其控制技術。