0引言
目前，地下井测试技术已广泛应用于地下水、油、气田的开发生产上，是整个地下水、油气田勘探与开发的一个重要组成部分。但井下压力变化情况较为复杂，而工作温度环境也较为恶劣，传统测井仪器基于其AD器件的耐高温限制往往难以做到对压力数据的快速、准确采样，因此其井下数据保留也不完善。为此，
本文设计了一种井下温度、压力快速采集及井上数据回放系统，能较好地改善耐高温与高精度、快速度采样之间的矛盾。
1系统组成与工作原理
1.1系统组成
压力计由电路模块、传感器、电池模块和抗冲击的高强度壳体组成，其原理框图如图1所示。
1.2系统工作原理
首先，通过电源控制器给油井压力计接通电源，对其进行初始化，确定测试仪采样速率、工作模式及开始采样的时间。电路模块开始工作，进人采样工作状态，通过电荷放大器把传感器的压力电荷信号转换放大为电压信号，由PIC16F877A中的AD变换器转换为数字信号，不断写入存储器，在其存储容量范围内循环刷新。采样过程结束后，取出油井压力计，计算机通过接口电路送读出命令，读出测试数据，显示、处理、打印数据或图形，形成数据文件。至此，完成一次测试过程，为测量井下压力及温度提供科学依据。
2硬件设计
压力计电路由测量电路、存储电路、回放电路三部分组成。测量时将测量电路与存储卡通过插件连接，由存储卡上的电池对仪器供电。测量电路包括压力测量电路和温度测量电路两部分，主要由电源变换器，激励源，压力、温度传感器，放大电路，A/D转换器，单片机，存储器，时钟等组成。单片机是系统的核心部分，控制系统的数据采集、数据存取、时钟参数设置等。时钟是系统的心脏，定时唤醒处于休眠状态的单片机，使其进人工作状态。测量所采集的数据存储于存储卡的存储器中。回放时，将存储卡与回放盒连接，通过回放盒内置的RS - 232接口与计算机进行通信，完成数据的回放。
2.1压力测量电路
压力测量电路主要由压力传感器、运算放大器、电源及电阻组成。本压力计设计采用了NPI一15系列电流驱动，高压介质隔离压力传感器。它具有精度高，模拟输出电压正比于输人的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好等特点。
压力测量电路如图2所示，放大器采用三个运算放大器，它组成一个仪表放大电路，这一电路具有很高的输人阻抗和很高的共模抑制比和开环增益;失调电流、电压、噪声和漂移都很小。图中A1,A2组成第一级同相并联差动放大器，这一级的放大输出为:
A1,A2输人端不吸收电流，并且电路结构对称，漂移和失调相互抵消，具有抑制共模信号干扰的能力;A3构成第二级差动放大，提高放大倍数，欲有效地抑制共模信号干扰，须使电路中R3 = R4 = Rn , RS = R6二Rm并要求有较高的一致性，则放大器总输出为:
调节电位器Rs，可改变放大器增益，令R1= R2=R，则:
2.2温度测量电路
温度测量电路主要由温度传感器(PT100)、运算放大器、电流恒流源、电阻、二极管及电源组成。如图3所示，R4= 2R3, R5 = R6 , R7= R8= R9 = R10通过电流恒流源来对电阻PT100和电位器RS1提供恒定电流，A1为一单元放大器，A2将V1放大2倍;A3,A4和AS构成差压放大电路，其增益大小可通过电位器RS2来调节，其输人输出关系可用如下公式来表示:
2.3存储回放电路
单片机是整个仪器的控制中心，协调电路各个部分的工作，对采集的数据进行A/D转换并存储到外扩数据存储器，与上位机进行通信，可完成采集数据的存储、传输和回放等功能。如图4所示，PIC16F877A通过WP,SCL,SDA与24LC256相连接，24LC256工作电压为2.5 —5.5 V，容量为犯K，为两线串行接口总线，标准与Iz C兼容。SCL为24LC256的时钟输入管脚，SDA为其串行地址的数据输人、数据输出管脚。24LC256提供读顺序地址内容的操作方式，其内部的地址指针在每次读操作完成之后加上，此地址指针允许在一次读操作期间，连续读出整个存储器的内容。
图4 16F877A单片机及存储模块
3软件设计
软件部分可分为单片机程序和人机界面控制程序。
单片机内部程序可以让单片机在供电后将采集到的信号进行A/D转换、存储及通过串口通信与PC机相连。而PC机的控制程序是用来命令单片机开始工作及后期的数据提取。
3.1.单片机编程
压力计软件用PIC单片机C语言开发，由采样子程序与通信子程序两部分构成。采样子程序实现循环采样，周期保存;通信子程序接收上位机指令，按指定要求分别读取所存数据并发送给上位机，接收上位机的设定参数以及在线标定等功能。主要包括采样间隔设置、回放数据两部分，图5、图6为两部分工作流程图。
图6 回放数据流程图
3.2人机界面编程
人机界面的设计用VC语言实现。不论是对仪器的初始化烧录，还是使用前的参数设定，以及采集完毕后对存储数据的读取及处理，都可以通过PC机进行操作。
本设计软件部分主要由读数程序、显示程序、数据处理程序及保存打印程序组成。读数程序通过计算机232串口读取装置的数据，具有直接读取原始数据的功能;显示程序可显示数据表格，图形等功能;数据处理程序可对仪器采样间隔进行设置，并设有回放、显示进度条等多个功能按键提供使用;保存打印程序可打印数据曲线及数据表格，并有备份或还原仪器校正表，辅助生成校正表等功能。整个程序采用模块化结构设计，采用数据库管理，操作方便，界面友好。操作界面框图如图7所示。
图7 人机界面
4井下电子压力计实验测试及分析
选定了测压及测温电路后，本文做了相对的模拟试验。在将整个电路做完整后，还将对整个仪器进行测试实验。
4.1压力实验测试及分析
压力测量采用台式打压计，输出压力范围在0—35 MPa，刻度盘显示误差率为土0.4% 。实验测到的数据如图8所示，压力从0增加到35M Pa，输出的电压值随着压力的增大而增加，且函数成线性变化。
4.2温度实验测试及分析
温度测量采用数显恒温水浴锅和数字式温度测量器。实验测到的数据如图9所示，随着温度的升高，输出的电压值随着增大，且函数成线性变化。
5结论
从实际测试使用情况可看出，该测试仪测试精度高、功耗低、抗冲击、耐高温，能够满足油井的恶劣测试环境，是一种理想的井下测量仪器。在测试的基础上，还要将压力计应用在井下，做更多的测试实验，这样也可以进一步的证明仪器的可靠性。
参考文献:
(1)李广弟.单片机基础tM].北京:北京航空航天大学出版社，2003.
(2)秦友淑.C语言程序教程「M].北京:电子工业出版社，2002.
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(5)陈忠华.基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学，2006.
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作者简介:岳鹏飞(1980—)，男，工程师，从事井下仪器设计工作。
