阻抗含水率计全水值自动增益电路的设计

王现彬

(大庆油田测试技术服务分公司第三大队 黑龙江大庆)

阻抗含水率计全水值自动增益电路的设计

王现彬

(大庆油田测试技术服务分公司第三大队 黑龙江大庆)

文章介绍了阻抗含水率计全水值自动增益电路的设计及室内实验。硬件系统设计在原来阻抗含水率计电路的基础上增加了切换判断电路和单片机控制电路。软件系统设计通过单片机的工作程序来控制激励源电阻的自动切换,实现电路的自动增益功能。通过室内自动增益实验验证了阻抗含水率计全水值自动增益电路的可靠性。通过室内含水率实验验证了激励源电阻的自动切换对阻抗含水率计的含水率测量没有影响。

含水率;阻抗;电路;实验;可靠性

0 引 言

阻抗含水率计[1、2]在大庆油田已经推广使用多年。仪器在井下测量时,撑伞状态下测量油水混相值,收伞状态下测量全水值,仪器的相对响应由全水值与混相值的比得到,然后通过查标定图版求得含水率。在使用中发现:全水值测量主要受水的电导率影响,而水的电导率受矿化度和温度的影响。通常情况下,在井下水的电导率是自来水的6～10倍。对于在自来水条件下,全水值测量在700 Hz～1 000 Hz,如果电路参数不变直接下井,全水值测量可能就是几十赫兹。实验和试验对比表明:在自来水条件下全水值测量如果是2 kHz,在井下测量最低可达到80 Hz左右;在自来水条件下全水值测量如果低于1 kHz,在现场情况下更低,有可能在50 Hz以下。所以同样电路参数情况下全水值测量差异很大。模拟井标定和现场测井通常采取手动更换激励源电阻的方式让全水值在量级上接近。手动更换电阻方式极易引起混乱:有时在模拟井标定用的是上井的参数,有时上井用的是在模拟井标定的参数。所以现场操作人员和仪修人员强烈要求我们设计一种可以自动切换电阻的方式来取代手动更换方式。

1 系统设计

1.1 设计要求

阻抗含水率计全水值自动增益电路的设计要求为:1)通过判断电缆2芯的供电状态来判断仪器处于混相状态还是全水状态。2)依据全水值的大小来切换激励源电阻,使输出的全水信号幅值达到合适的幅度。3)每口井只切换一次激励源电阻。

1.2 硬件系统设计

硬件系统以HT46R47单片机为核心,由激励源驱动电路、持水率处理电路、频率复合电路、单片机控制电路、切换判断电路和电源供电电路组成,实现框图如图1所示[3、4]。系统能够根据不同油井的矿化度,自动切换激励源驱动电阻,使恒流源输出保持在一个合理的范围内。

图1 硬件系统结构框图

1.3 软件系统设计

单片机控制电路的原理[5]如图2所示。系统软件主要是单片机HT46R47-H的工作程序,负责读取切换电路输出电压,以决定是否需要进行切换。如果需要切换,则进一步测量持水率处理电路输出的频率信号的频率,并控制MAX313四路开关的通断,以决定恒流源激励电阻的大小;之后将激励电阻的状态信息均写入串行EEPOM芯片24C01中。如果不需要切换,系统将直接读取24C01芯片中的状态信息,并据此使能或禁止MAX313的四路开关。

图2 单片机控制电路原理图

自适应切换的目的是当油井矿化度变化时,寻找到一个合适的激励源电阻,使全水状态下阻抗传感器输出的频率在500 Hz～1 000 Hz之间。系统软件首先测量电缆2芯上的负电压值,如果该芯上供有负电,则进行激励源电阻切换。具体切换过程如下:

1)默认状态下,即单片机CH0-CH3全部为低电平时,系统有一个默认的激励电阻 R12,如果在 R12的作用下,阻抗传感器输出的全水值大于等于500 Hz,则表示当前的激励电流能力满足系统要求,不需进行切换。

注意:如果这时阻抗传感器输出的全水值为1 500 Hz或2 500 Hz时,也不会进行激励源切换,因为 R12是系统的最大激励电阻,其所对应的激励电流是最小情况,如果此时传感器输出远高于500 Hz,则表示当前油井水的矿化度太小,阻抗很大,此时应手动更换激励电阻。

2)如果在 R12的作用下,阻抗传感器输出全水值频率小于500 Hz,如为350 Hz,则表明当前激励电流小,应增大激励电流。此时,单片机把CH0通道打开,就在 R12上并联了一个电阻,则激励电流将翻倍,传感器输出频率值也将翻倍,变为700 Hz,满足使用要求了。

3)在很多情况下,阻抗传感器输出频率经1次翻倍可能不够,所以我们提供了CH0、CH1、CH2、CH3四个档。系统的激励源电阻就存在如下5种情况:

(1)激励电阻 R=R12,激励电阻最大,激励电流最小。

(2)激励电阻 R=R12//CH0。

(3)激励电阻 R=R12//CH0//CH1。

2 室内实验及结果

2.1 自动增益实验

把阻抗含水率计放到不同矿化度的水中,测量仪器的全水值,应用“油井综合参数测量仪”进行数据的采集,验证在不同的矿化度下激励源能自动切换到合适的范围。

在清水中输出频率为771 Hz,输出符合要求所以不切换试验结果如图3所示。

图3 激励源输出频率图

在2 000 ppm的盐水中,激励源切换1次由269 Hz～538 Hz,达到大于500 Hz的要求,其实验结果如图4所示。

图4 激励源输出频率图

(4)激励电阻 R=R12//CH0//CH1//CH2。

(5)激励电阻 R=R12//CH0//CH1//CH2//CH3,激励电阻最小,激励电流最大。

如果在激励电阻最小的情况下,阻抗传感器全水值输出频率仍小于500 Hz,系统也将不再继续切换了。所以在实际应用中,应适当的选择 R12电阻,并适当确定各个激励电阻间的倍数。为了保证正确切换,切记一定要先给2芯供负电,然后再给1芯供正电,否则不切换。

在4 000 ppm的盐水中,激励源切换2次由155 Hz～295 Hz～598 Hz,达到大于500 Hz的要求,其实验结果图5所示。

图5 激励源输出频率图

在6 000 ppm的盐水中,激励源切换3次由79 Hz～158 Hz～312 Hz～640 Hz,达到大于500 Hz的要求,其实验结果如图6所示。

图6 激励源输出频率图

在12 000 ppm的盐水中,激励源切换4次由52 Hz～109 Hz～217 Hz～443 Hz～889 Hz,达到大于500 Hz的要求,其实验结果如图7所示。

图7 激励源输出频率图

激励源切换有四个档位,以上试验分别由图形直观的显示了由一至四次切换的结果,在不同的矿化度情况下均能达到测井的要求。

2.2 含水率实验

实验验证在不同的矿化度下,系统切换前、后含水率测量不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响。实验中,系统切换前、后分别在2 000 ppm、4 000 ppm、6 000 ppm的盐水中测得仪器输出的全水值及混相值(传感器插入相同体积的绝缘柱体模拟持水率为60%),然后求出含水率相对响应,实验结果见表1。

表1 不同矿化度下切换前、后同一持水率下含水率相对响应对比

从表1中可以看出系统切换前、后含水率测量不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响。

3 结束语

阻抗含水率计全水值自动增益电路的设计,解决了反复更换激励源电阻的问题,在测井时根据实际情况激励源最多可以连续切换四次。通过实验验证了:在不同的矿化度情况下,激励源能够自动切换到适应测井的需要,并且激励源的切换对含水率的测量没有影响。

[1] 刘兴斌.多相流测井方法和新型传感器研究[D].博士后研究报告,2000

[2] 胡金海,刘兴斌.阻抗式含水率计现场应用[J].测井技术,1999,25(增刊)

[3] 卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆:重庆大学出版社,2003

[4] 杨振江.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002

[5] 刘大茂.智能仪器(单片机应用系统设计)[M].北京:机械工业出版社,1998

Wang Xianbin.Design of the automatic gain circuit of the all water value of the impedance water-cut sensor. PI,2010,24(3):23～25

The automatic gain circuit design of the all water value of the impedance water-cut sensor and the in-house experiment are introduced.In the foundation of former circuit of the impedance water-cut sensor,the switched and judged circuit is increased to the hardware system.The autonomous switchover of the excitation resistance controls by the job program of the chip microprocessor in software system to achieve the automatic gain function.The reliability of the automatic gain circuit of the all water value of the impedance water-cut sensor is approved by the in-house automatic gain experiment.The autonomous switchover of the excitation resistance has no influences on the water content of the impedance water-cut sensor by means of the in-house experiment of the water-cut.

water cut;impedance;circuit;experiment;reliability

TE122.2+3

B

1004-9134(2010)03-0020-03

王现彬,男,1983年生,2007年毕业于哈尔滨理工大学自动化系,现在在测试技术服务分公司第三大队从事现场测井工作。邮编: 163113

2009-11-03 编辑:高红霞)

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