石英壓力傳感器自動標定技術研究

支宏旭,余強,薛永增,秦小飛

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院, 河北 三河 065201)

0 引 言

地層測試器通過獲取地層原始壓力和注采過程中地層壓力變化的信息[1],給油藏儲層評價和勘探開發方案的制定提供必要的基礎數據。因地層流體高溫高壓的特點(溫度可達204 ℃,壓力138 MPa),地層測試器的設計一般采用高精度寬量程的石英壓力傳感器[2]。

寬溫度范圍(20～204 ℃)制約著壓力傳感器的精度,要求石英壓力傳感器標定中進行溫度補償。陳敏[3]設計了一種0～100 ℃的石英壓力傳感器溫度補償算法,實現了井下壓力傳感器0.05級精度校準。張輝等[4]應用Matlab實現了石英壓力儀器的溫度系數擬合算法,節省了大量返廠標定成本。楊俊科等[5]總結了地層測試壓力傳感器的發展歷程與標定方法。本文設計了石英壓力傳感器的標定模型和標定裝置,實現了標定全過程自動化,可進行寬溫度范圍(25～200 ℃)的溫度補償,減小溫度對壓力測量精度的影響,分析了標定設計、標定結果,并討論了標定系統進一步優化方向。

1 石英壓力傳感器標定模型

本文所設計的標定裝置可對20～200 ℃、0.1～138 MPa測量范圍的石英壓力傳感器進行標定。某傳感器壓力不確定度為±0.02%FS(±3.2 psi[注]非法定計量單位,1 psi=6 894.757 Pa,下同);壓力分辨率小于0.01 psi;溫度精度為±0.5 ℃;溫度分辨率小于0.005 ℃;壓力測量最大值為16 000 psi;溫度測量最大值175 ℃。該傳感器含3個晶體,分別是壓力晶體、溫度補償晶體和參考晶體。參考晶體振蕩頻率溫度敏感性差,幾乎不受溫度影響,給壓力晶體、溫度補償晶體計算頻率值提供參考。傳感器調理電路處理晶體的頻率值,經過計算將頻率值轉變為壓力和溫度值,通過IIC總線直接輸出。標定采用的數學模型為

p=T0+T1X+T2X2+T3X3

(1)

T0=C00+C01Y+C02Y2+C03Y3

(2)

T1=C10+C11Y+C12Y2+C13Y3

(3)

T2=C20+C21Y+C22Y2+C23Y3

(4)

T3=C30+C31Y+C32Y2+C33Y3

(5)

式中,p為壓力測量值;X為壓力晶體的頻率值;Y為溫度補償晶體的頻率值;Ti為溫度補償系數(i=0,1,2,3);Cij為標定系數(i,j=0,1,2,3)。標定的過程,就是施加一系列標準環境溫度和壓力載荷,通過公式(2)～(5)計算出Cij(i,j=0,1,2,3),通過IIC總線將標定獲取的校準系數,讀入傳感器調理電路中。井下工作溫度范圍較大(20～200 ℃,甚至更寬)時,應用公式(1)～(5)計算出溫度補償系數,補償溫度變化對傳感器精度的影響。

2 石英壓力傳感器自動標定裝置設計

石英壓力傳感器自動標定裝置由壓力加載模塊、恒溫箱和上位機軟件等組成(見圖1)。壓力加載裝置通過15 MHz標準壓力氮氣瓶經減壓閥產生0.7 MHz氮氣源給砝碼系統供氣,上位機軟件經過USB總線、集線器、BUS-I總線與壓力源FPG7302通信,后者控制FLUKE砝碼自動加載裝置AMH-100,壓力源FPG7302綜合AMH-100、氣壓計和自身測量到的壓力值,通過補償算法獲取最終加載到傳感器上的真實壓力值,加載壓力值范圍14.5～20 000 psi,典型測量不確定度約±0.002 4 psi,遠遠小于典型石英壓力傳感器±3.2 psi的測量不確定度。砝碼自動加載裝置AMH-100加載的壓力流體經過分流裝置可同時加載4路石英壓力傳感器,液壓系統采用硅油傳遞壓力。上位機PC通過集線器、傳感器采集卡與溫箱中的傳感器通信,可以實時讀取傳感器壓力值、溫度值、刻度校準系數、傳感器編號等參數,標定裝置可以同時與4路石英壓力傳感器通訊。上位機PC通過集線器、BUS-II與溫箱通信,控制后者提供25～200 ℃的恒溫環境,溫箱內的溫度穩定性<0.25 ℃,滿足標定技術要求。

上位機軟件實現了傳感器刻度自動化,操作人員只需完成安裝傳感器、設置刻度參數等工作,其他工作可以全部交給軟件自動完成。傳感器標定系統基本操作流程見圖2。自動標定系統實現了標定過程壓力源壓力值的施加、恒溫箱溫度的控制、傳感器的讀數、標定報告的生成和標定系數寫入傳感器等系列操作。

圖1 石英壓力傳感器標定裝置結構圖

圖2 基本操作流程

3 標定設計和結果分析

3.1 標定過程與參數設計

石英壓力傳感器標定過程和標定參數設計,直接影響校準結果的準確性。本文參考國家標準SY/T5692—2016《電纜式地層測試器作業技術規范》[6]和傳感器原廠刻度指南和實測數據,設計了標定過程及其參數。

標定環境條件控制:溫度穩定在20±1℃,濕度為45%～75% RH,大氣壓力穩定在14.5～15psi。

石英壓力傳感器標定過程:①安裝石英壓力傳感器的油路、電路連接;②環境溫度穩定在20±1℃,儀器預熱30min以上;③啟動溫箱,加熱至第一個標定溫度點,溫箱溫度穩定時間至少40min,啟動標準壓力源,加載標準大氣壓,壓力穩定1min后讀取傳感器數值,每秒讀取1個數據,讀取50個,取平均值作為最終結果,然后依次加載3200、6400、9600、12800、16000、14400、11200、8000、4800、1600、600psi的壓力分別完成壓力傳感器讀值。進而加溫至55、85、115、145、175℃,分別完成每個溫度點下的壓力傳感器讀值;④根據壓力源壓力值、溫箱溫度值、傳感器讀數計算誤差曲線與標定系數文件。如果誤差曲線滿足±0.02%的精度要求,則傳感器精度得到驗證,不許寫入新標定系數文件。如果誤差曲線精度超出±0.02%,則傳感器寫入新標定系數文件,重新驗證。

3.2 標定結果分析

石英壓力傳感器標定的實驗數據見圖3。圖3中,Teven為恒溫箱溫度, ℃,精度±0.1℃;Tsensor為石英壓力傳感器測量到的溫度, ℃;psource為標準壓力源通過油路加載到傳感器上的壓力值,psi;psensor為石英壓力傳感器測量到的壓力,psi。圖3記錄了標定全程Teven、Tsensor、psensor、psource的變化情況,整個標定過程持續40000s,約11.1h。以55℃溫度點的標定過程為例,圖4記錄了55℃溫度的刻度過程,烘箱溫度從35℃開始加溫,約1000s,恒溫箱溫度達到穩定,傳感器升溫較慢,約40min后,傳感器溫度和烘箱溫度非常接近,幾乎不再發生變化,證明傳感器和恒溫箱環境達到了熱平衡,這時恒溫箱的溫度波動非常。之后,標準壓力源依照環境大氣壓力、3200、6400、9600、12800、16000、14400、11200、8000、4800、1600、600psi的順序加載壓力,當傳感器壓力與標準壓力源的壓力保持平衡1min之后,認為壓力源的壓力已經穩定加載到傳感器受力元件之上,此時讀取傳感器壓力值。實驗數據證明,溫度穩定時間40min,壓力穩定時間1min是合理的,能夠保證傳感器和環境溫度、壓力載荷保持平衡。

圖3 標定全程的溫度壓力曲線

圖4 55 ℃標定點溫度壓力曲線

石英壓力傳感器標定的關鍵在于提供穩定的恒溫環境和高精度的壓力源,并設計合理的標定流程。圖5記錄了55℃標定點的恒溫箱溫度和石英壓力傳感器測量到的溫度,由此可見,溫箱溫度和傳感器測量到的溫度都能穩定到±0.1℃,達到了傳感器標定要求溫度的穩定性,恒溫環境效果良好。圖6壓力源施加6400psi載荷1min之后,傳感器測量到的一段壓力曲線,傳感器在60s內測量到的壓力波動小于0.4psi,這與傳感器±3.2psi的不確定度相比已經是十分小的數值,壓力源施加1min載荷足以使傳感器壓力達到穩定狀態。傳感器在壓力源穩定的情況下,依然出現0.4psi/min的波動,這是因為傳感器在液壓的傳遞中,有波紋管在內的彈性元件,彈性元件在壓力施加的過程中不可避免會產生蠕變,而同時期壓力源的壓力已經十分穩定。

圖5 恒溫箱溫度穩定性

圖6 傳感器壓力的穩定過程

石英壓力傳感器14.5psi/175℃點誤差為0.023%,超出了傳感器不確定度±0.02%,因此,將這些數據帶入公式(1)～(5)計算出新的校準系數,寫入傳感器電路,重新實驗,測試寫入了新標定系數的傳感器的不確定度,該傳感器最大誤差為0.01%,小于0.02%,達到了傳感器的精度要求。

4 結 論

(1)敘述了一種石英壓力傳感器標定的數學模型,該模型補償了溫度變化對傳感器精度的不利影響,適應了井下工作溫度較寬的環境特性。

(2)設計了一套石英壓力傳感器自動標定裝置。該裝置應用恒溫箱供恒溫環境,溫度不確定度±0.15℃,穩定性0.3℃,上限200℃。標準壓力源精度,可施加壓力載荷0～20000psi。該裝置可用于標定(0～20000) psi/(20～200) ℃所涵蓋量程的石英壓力傳感器,整個標定過程實現了自動化。

(3)設計了石英壓力傳感器標定的具體過程,并校準了傳感器樣本,實驗結果表明,該自動標定裝置達到了設計要求,且標定過程設計合理,成功標定了石英壓力傳感器樣本。