國產高溫高精度電子式壓力計的應用研究

(秦川機床集團寶雞儀表有限公司 陜西 寶雞 721006)

前言

石油工業的發展對壓力測量提出了越來越高的要求。石油工程師需要精確的壓力資料進行油藏評價、描述和動態管理，國外許多公司很早就研發了200度以上的高溫壓力計，目前一直占據著國內市場，但由于國外進口壓力計價格昂貴，維修服務費高，外文資料消化困難，迫使國內廠家走上自主開發的道路。公司研制成功的高溫電子式壓力計，從技術上攻克了多個技術難題，實現了175℃，200℃的高溫環境下的壓力溫度測量。高端壓力溫度計的指標完全達到甚至超過了國外的產品。

壓力計的創新點：

本項目產品為原始創新，作為高性價比的新一代高端壓力計，在核心算法、設計理念以及檢測標定技術等方面的特色，都是通過總體控制軟件的設計與核心代碼的實現來完成，其主要創新點包括：

1、操作自動記錄，即設備的參數和時間配置等操作，均有全程自動記錄功能。在當前國內井下數據的采集中，電子壓力計的現場記錄大多數還采取傳統的紙筆現場記錄的方式。這種方式有著幾個方面的缺點。首先，人工記錄很容易導致錯誤，在現實情況下，井下環境數據包含著井下物理狀態的各個細節，并且在數據有一定的精度要求。如果靠人工記錄，很容易導致厭倦感或經驗主義的產生。從而產品數據記錄錯誤。其次，人工記錄不能實時精確的記錄連續性數據，油氣井井下環境極為復雜，而且每時每刻都在動態變化，人工記錄無法記錄出井下環境在某個瞬間發生的巨大數據變化。

最后，自動記錄不僅可以使數據信息更完整，更全面，而且更適合在油氣田這種大容量數據環境下的歸檔保存。在高產油氣井有出砂和水堆問題時，則顯得尤為重要,通過操作自動記錄，可幫助維護人員快速分析處理采集數據，從而最快地發現和解決問題，從而確定最佳的產量。極端環境下的穩定工作。

2、該壓力計能在 170℃～200℃的高溫，25000psi 的高壓下穩定準確的監測油氣田數據，并支持高速的 USB模式，能穩定的提供 12Mpbs 的高速 USB 通信。

3、高效濾波電路的設計和補償算法：該壓力計采用 24 位高精度 AD作為前端采集電路，還通過采用數字陷波技術和中值濾波算法，同時消除系統時鐘頻率和電路抖動與噪聲，大大提高前端測量的精確度和穩定性。濾波之后采取高階多項式擬合方式，對電路的溫度依賴與非線性進行數字聯合補償，因而減輕壓力溫度交叉耦合干擾，大大降低了。

壓力計實現主要技術路線：本項目從硬件設計、軟件算法、通信設計和多功能界面開發三個方面尋求突破,關鍵技術包括：

1、四高電路模塊的硬件設計：高精度的電路設計是實現高性能壓力計的硬件基礎，產品的硬件設計基于高穩定、可重復的壓阻式壓力傳感元件(不銹鋼波紋膜盒封裝)，并采用低噪音、低漂移設計的 24 位高精度 AD 作為前端采集電路，加上采用內嵌的 16 位專用壓力、溫度，高速數字信號處理芯片，來對傳感器和采集電路的噪聲、溫度依賴與非線性進行濾波和數字補償，使得儀器在前端就能夠同時完成高速采樣(1 ～ 5mS)和高精度測量(0.025%FS)，這將是目前國際高端井下壓力計的最高精度水平。

2、高效的信號處理和補償算法：除了采用 24 位高精度 AD 作為前端采集電路，還通過采用數字陷波技術和中值濾波算法，同時消除系統時鐘頻率和電路抖動與噪聲，大大提高前端測量的精確度和穩定性。濾波之后采取高階多項式擬合方式，對電路的溫度依賴與非線性進行數字聯合補償，因而減輕壓力溫度交叉耦合干擾，大大降低了系統的溫度漂移與非線性誤差，進一步提高測量的線性度與穩定度。

設計難點：在高性能壓力計的設計中，數據采集的精度和穩定性、信號處理和數字補償算法、高速高可靠通信接口和多功能的交互式界面軟件開發等等，都將是主要設計難點。