簡述一種面向石油行業輸油管道壓力表標定的控制方法

張鋒 劉東

1.沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2.奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 背景技術

壓力是油田現場用得最多的待測物理量，壓力表則廣泛應用于石油行業中需要測油管內壓的場合，大致可分為油壓表、套壓表和回壓表。它能夠自動采集石油管道內部油體的壓力數據，壓力數據通過油井遠程采集終端設備RTU上傳至石油網關設備。壓力數據的產生則來源于壓力傳感器信號的采集和標定算法[1]。

2 標定方法

輸油管道壓力表上電后，通過串口發送進入標定模式命令。設定溫箱環境溫度標定值并保持穩定。設定壓力源輸出某一壓力標定值并保持穩定。創建操作系統采集定時器，單片機ADC按照采集時間間隔自動采集壓力傳感器輸出的數字量。分析單片機ADC采集數據，去除采集數據中的極值，并計算得到平均值。改變溫箱環境溫度標定值后，再次進行采集。根據分析不同溫箱環境溫度的壓力傳感器采集數字量，經第一階段插值擬合出兩者的映射關系。在當前環境溫度下，記錄第一階段插值算法得出的實時數字量。改變壓力源輸出的壓力標定值，記錄不同壓力標定值下的實時數字量。根據分析當前環境溫度和壓力源輸出不同壓力值條件下，對采集的實時數字量和全量程范圍的壓力值，經第二階段插值計算，擬合出兩者的映射關系。經這兩次插值計算，可最終擬合出在不同環境溫度下，壓力傳感器輸出的數字量與全量程范圍壓力值的函數關系[2]。

3 關鍵原理

第一階段插值計算是將壓力表設備放置于高低溫箱中，根據設計的溫度點設定環境溫度標定值T1為-40℃，為了溫度達到穩定要恒溫控制1～2小時，保證壓力表設備的單片機內部溫度傳感器采集的溫度值和高低溫箱的溫度保持一致。同時調整壓力源輸出壓力標定值，設定為6.000MPa，將其標記為P1。啟動壓力源輸出開關，使壓力源輸出至目標壓力標定值P1，保持穩定狀態1～2分鐘。使單片機進入標定模式，單片機ADC自動按照采集時間間隔對數字量進行采集，每次采集動作為連續采樣32次，將采樣的32個元素存儲在數值濾波數組內，用直接插入排序法對數組元素進行排序，去除元素中最大值和最小值，對剩余的30個元素進行求平均值計算，得出實時數字量。通過串口發送查詢實時數字量命令，得到當前單片機的ADC采集的實時數字量，將其標記為D11。

調整高低溫箱環境溫度標定值T2，將其溫度設定為-10℃。按照上述標定控制方法得到溫度T2時的實時數字量，將其標記為D12。

將得到的D11和D12實時數字量數值，經過第一階段插值算法，進行曲線擬合。將第一階段插值計算得到的實時數字量與高低溫箱產生的環境溫度建立起映射關系。設當前環境溫度下的實時數字量為S1，當前單片機溫度傳感器采集的環境溫度值為T，建立映射關系如下公式所示：

進而推導出當前環境溫度下的實時數字量S1為：

再次調整高低溫箱環境溫度標定值，使溫度分別設置為0℃、20℃、40℃、60℃、85℃，按照上述標定控制步驟，得到這些溫度下的對應的實時數字量D1n。則在全部模擬環境溫度段中的計算實時數字量的通用公式為：

第二階段插值計算是利用第一階段插值算法得到的實時數字量S1，再次調整壓力源輸出的壓力標定值，將其設定為4.500MPa，標記為P2。啟動壓力源輸出開關，使壓力源輸出至目標壓力標定值P2，保持穩定狀態1～2分鐘。按照第一階段插值操作方法，計算得到當前環境溫度下的實時數字量，將其結果標記為S2。

將得到的S1和S2實時數字量數值，使用插值算法，進行曲線擬合。將第一階段插值計算得到的實時數字量與傳感器壓力數值建立起映射關系。設當前環境溫度下的壓力源輸出的壓力值為P，當前環境溫度下第一階段采集的實時數字量為S，建立映射關系如下公式所示：

進而推導出當前壓力傳感器采集的壓力值P為：

再次調整壓力源輸出的壓力標定值，使其分別調整到3.000MPa、1.500MPa、0.000MPa，按照上述第二階段壓力標定控制方法，得到當前溫度下其他壓力標定點的實時數字量。設在當前溫度下，某兩個壓力標定點對應的實時數字量為Si和Si+1，對應的壓力標定值為Pi和Pi+1，在當前環境溫度下采集得到的實時數字量為S，所要求得的壓力傳感器的實時壓力數值為P。則在全量程壓力范圍內的壓力值計算公式為：

通過兩個階段的標定，使壓力表輸出壓力值的精度可達到5‰，滿足油田使用要求。

4 結束語

本方法大幅度降低了環境溫度對壓力傳感器采集的數值帶來的誤差，細化了環境溫度線性區間，同時降低了軟件設計的復雜度，從而達到提高壓力表的壓力值精度的目的。