微型堵塞器型压力计的设计演示教学.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。微型堵塞器型压力计的设计-学号:0103070110吉林农业大学发展学院毕业设计(论文)微型堵塞器型压力计的设计学院:电子信息工程学院专业:测控技术与仪器班级:一班姓名:刘海龙指导教师:吴旭云微型堵塞器型压力计的设计摘要首先介绍了压力计的用途,并将我们设计的压力计同国内外使用较多的压力计做了性能比较;然后,概述性的介绍了压力计的工作原理;并对压力计的总线选择、电数据压缩做了概念性介绍。并且对压力计的测量部分,计算部分,时间控制部分,电源控制部分,存储器部分的原理做了详细的阐述其次详细论述了本压力计的下位
2、机软件各组成部分。首先,在本章开头我们给出了测井数据采集部分、DS1629报警部分、数据存储部分及I2C总线部分的程序流程图,最后给出了主流程图。再次详细论述了数据拟合回归公式的基本原理,并给出了如何用拟合好的公式计算压力,温度值。只有对采集的数据进行数据拟合回归,才能得到真实的压力、温度值。数据拟合公式中系数的选择将对温度、压力值的精确度有极大的影响。为了提高系统的鲁棒性,我们在本压力计的硬件及软件设计上都对容错性给予了极高的重视。在本章中,阐述了软件容错的基本概念、基本原理、基本方法、以及模型设定。最后,以本压力计为例,给出了软件容错的一些实际应用。关键字石油压力计温度计Theminiat
3、urestopsthedesignofapressuregaugeofmachineAbstractfirstly,itintroducestheuseofmanomerer,anditalsocomparesthefunctionthemanometerofourdesignwiththemostusedonesbothhereandabroad.Second,itintroducestheoperationalprincipleofmanomereringeneral,anditalsogivesusaconceptualintroductionforthemainlinechoicean
4、ddatacompaction.,itexpatiatesthetheprincipalofdetectingunit,computingtime,timecontrol,powercontrol,memorizer.itdiscussesinparticulartheeverypartofthedownmachinesofetware.Itfirstlyshowsthecollectionofwellloggingdata,DS1629alarmsystem,datastorageandprogramflowpictureofI2Cmainline,thenitshowsthemainpro
5、gramflowpicture.Itexpatiatesthebasicprincipleofdatafittingsregressionformula,anditshowsthathowtouseregressionformulatocalculatethepressandtempreture.Onlyifweuseregressionformulaincollectiongdate,wecangetcorrectpressandtempreture.Thecoefficientofdatafittingsregressionformulawillhaveagreatinfluencefor
6、theprecisionofpressandtempreture.Inordertoimprovetherobustnessofthesystem,wepaygreatattentiontothefaulttoleranceofhardwareandsoftwareofthismanometer.InthisChapter,itstatesmanyaspectsofoffaulttolerance,suchas,basicmeaning,basicprinciple,basicmethod,andmodelspecification.Finally,usingthismanometerasan
7、example,itshowsthepracticalapplicationofsoftwarefaulttolerance.KeywordsPetroleumPressuregaugeThermometer目录第1章绪论61.1井下压力、温度测量仪的研究概况61.2本课题的方案确定和要完成的工作71.2.1总体设计方案81.2.2系统工作原理81.2.3传感器选择91.2.4系统总线选择101.2.5要完成的工作121.3本章小结12第2章系统硬件132.1硬件组成132.2工作原理172.2.1压力测量部分172.2.2温度测量部分182.2.3电源控制部分182.2.4存储部位192.2
8、.5定时控制部分192.3本章小结19第3章系统软件203.1测井数据采集部分203.2时钟控制部分203.3数据存储部分233.4I2C总线部分253.4.1I2C总线的基本原理253.5主程序流程图293.6本章小结32第4章数据回归334.1数据回归概述334.2拟合算法推导344.3参数应用及实验结果364.3.1求井温364.3.2求压力值364.4本章小结37第5章软件容错385.1软件容错的定义与分类385.1.1时间容错385.1.2信息容错395.1.3软失效运行395.2软件容错系统结构介绍395.2.1N版本程序结构395.2.2恢复模拟块法405.2.3提高软件的刚健性
9、(robustness)415.3应用415.3.1防止死机415.3.2判断读出时间是否正确425.3.3判断下次报警是否能够实现425.3.4判断工作表455.4本章小结46第6章结束语47致谢48第1章绪论石油是一个国家的命脉,石油产业的兴衰直接影响到国家的经济。所以我国一直对油藏工程给予极高的重视。在油藏工程中的许多方面,可靠的地下油藏资料都是十分重要的:油藏工程师必须掌握大量的油藏数据资料,才能准确的分析油藏动态和预测各种开采方式下的生产趋势;菜油工程师也要了解生产井和注入井生产条件才能在油藏最佳动态情况下进行开采。这些资料大都是通过不稳定试井得到的。不稳定试井方法,例如,压力恢复、
10、降压、注入能力测试等等,都是油藏工程和采油工程的一个重要方面。不稳定试井方法的主要过程由两部分组成:一部分是在井底造成压力改变,另一部分是测量压力改变随时间的变化。通过测量得到的压力值,可以用来估算出岩石、流体和井的特性参数,其有助于用来分析、改进和预测油藏动态。从不稳定试井获得的实验资料包括井筒体积,地层压力,渗透率,孔隙度,储量和其它有关数据。从中可以看到,这种方法的关键的技术资料就是测量得到的精确的压力值。以前,不稳定试井方法受到许多限制,其中最重要的一方面就是缺少精确的压力数据,而无法进行确切的分析。井下压力、温度测量仪的研究概况目前,国外的井下测压技术发展的十分迅速,主要测量仪器为存
11、储式电子压力计。其大多有着压力量程大、精度高、存储量大、采样速度快等优点,而国内的井下测压技术还不十分先进。国内外常见的压力测量仪的性能指标可参照下表1.1.但由于此类传统压力计大多有着直径宽,体积大等诸多不利因素,造成现场测试困难,费用高、成本高,因而急需一种直径小、精度高、工作时间长的新型压力计。目前此类小直径压力计在国外已经问世,但是价格昂贵,而且井下工作时间较短;国内同类产品较少,而且在测量精度、功耗、存储容量方面不尽人意。我们的微型堵塞器型压力计就是在这种形势下研制出来的新型产品。这套仪器配套于偏心配水器,测试工艺完全依照分层配水及测试工艺进行。因而极利于注水井的压力温度测试,简化了
12、工艺,节约了人力、财力。生产厂家斯坦微电子研究所北京金时石石油测试技术有限公司北京双福星科技有限公司大庆大名新技术开发公司大庆市仪星有限公司压力量程(Mpa)050030045030030压力分辨率(%FS)0.050.010.050.050.01压力精度(%FS)0.50.50.40.50.5温度量程()-10+125-40+120-20+1200+80-30+120温度精度()0.50.5110.5温度分辨率()0.10.10.50.50.1存储容量(点)300012000160001360014272井下工作时间(天)90180120180150表1.1国内外常见大直径压力测量仪性能指标
13、参照表由上可见:一般压力计,其精度只能达到千分之一左右;而且一般只能耐到120度高温,我们知道随着井的深度增加,井下的温度也在增加,所以这种耐温度就限制了被测井的深度;一般的测压计的容量也不是很大,只能达到25万组数据,更有甚者只有几千组,因为井下数据的数量越多对被测井的特性分析也就月充分;存储量不大,也就意味着不会掌握很多的井下压力数据,很大的限制了不稳定试井的使用范围;而且,大多数压力计的温度测量不精确,现在国际通用的压力计都要求精确的温度测量,这是因为被测井下压力同当时的井下温度有关,测得的压力数据要根据以温度拟合成的数据为系数的方程来得到正确的压力真值,如果温度值不准,则压力值也不会准
14、确。而且,温度本事对于试井也有着极大的意义。本课题的方案确定和要完成的工作对本课题所提出的技术指标有如下几项:压力量程:075Mpa压力精度:0.05%FS压力分辨率:0.001%FS温度量程:-30+125度温度精度:0.1度温度分辨率:0.05度最大存储容量:80000点井下工作时间:半年以上外径:15mm长度:200mm从以上指标比较来看,我们所设计的这台高精度压力计同国内外同类产品相比有着以下几方面优点:1) 压力精度高。2) 温度量程宽,这意味着可以用来测量更深的井,增大了使用范围。3) 存储量大,也就是说利用这台仪器一次可以测量取得更多的数据。4) 体积小,克服了传统大直径压力计存
15、在的弊端,给现场的使用带来了方便,节省了人力财力。本次设计的堵塞器型压力计的大多数指标都已经赶上或者超过国际水平。1.2.1总体设计方案井下存储式压力计不需要传输电缆,利用电池供电。因为是在井下几千米进行测量,没有办法利用地面电源对压力计供电,只能采用电池供电。这就要求硬件部分要有着低功耗的特点,否则仪器无法在地下工作十几个月。为了延长仪器的一次下井时间,应该在采用同类小功耗元件的前提下尽可能的减少元件个数,并且还应该寻找进一步省电的方法。整个仪器将工作在几千米的地下,必须可耐125的高温。这要求系统的元器件要有耐高温的特性。一般民用元件耐温在0+70之间,根本无法满足设计要求,其实工业级的元
16、件也只能耐温在-40+80之间,所以要达到指标要求,必须采用军品元件并进行高温筛选以得到耐高温元件。本次设计中所用到的器件均选用功耗低的军品元件。为了达到大容量的存储空间,我们可以采用单片大容量存储器或多片小容量存储器。因为存储器也必须耐高温,所以如果采用前者则价格极其昂贵,如果采用后者则难免要增大功耗,影响井下的工作时间。但无论采用哪种方式,适当的采用一些数据压缩算法都是应该的。对于数据压缩,应该注意的事项是,压缩时间应该不大,以免影响数据的采集。1.2.2系统工作原理压力计进行工作参数设定以及在测量完毕后进行数据回放时,地面系统框图如下所示:打印机堵塞器压力计打印机线PC机专用通信线图1.
17、1在工作前,需要通过专用通讯线,用随机配制的系统软件进行压力计的初始化,设置各项工作参数(时间表和工作表)。使用时,系统便在CPU的控制下,按照预先设置的工作表进行定时采样,并将采集到的压力、温度数据保存在存储器中。然后压力计电路进入低功耗状态,此时消耗电流只有6uA,等待下一次采样开始。压力计的工作原理框图如图1.2所示。当存满数据存储器时,系统只进行采集,但不再对采集到的数据进行存储。仪器工作结束后,重新接上专用通讯线,在上位机上运行随机配制的系统软件对数据进行回放,并可以根据需要进行数据存储、显示、绘图等操作。温度传感器单元压力传感器单元CPU数据放大转换单元时钟单元电源单元数据储存单元
18、图1.21.2.3传感器选择由前述可知:有待测量的物理量有温度、压力两种。温度、压力传感器一般可以分成两类:模拟传感器、石英晶体传感器。1) 模拟传感器:普通国产压力模拟传感器的压力精度一般为0.5%0.8%,温度模拟传感器的精度为0.10.5.可见要想提高测量精度,就必须选择精度高的压力传感器。此外模拟传感器的体积很小,因此符合本次小直径压力计的设计目的。2) 石英晶体传感器:石英晶体传感器的相对精度很高,压力计石英晶体分辨率可达到0.02%,精度可达到0.05%;温度石英晶体传感器分辨率可到达0.005,精度可达到0.01.但是石英晶体传感器的体积相对很大,鉴于本次设计的要求,最终选择体积
19、小,精度较高的模拟传感器。通过对众多厂家的压力传感器的比较选择,我们最终选择瑞典KELLER公司的压阻式压力传感器。KELLER公司作为欧洲著名的压阻式传感器生产厂家,其产品具有体积小,重量轻,精度高,灵敏度高、稳定性好、一体化结构等特点。本次选用精度为0.05%的KELLR-1型压力传感器。为了测量并下温度,并考虑到系统小型化,这里选用带有时钟功能的温度传感器DS1629,其在-30+125的温度范围内,其测量精度高达0.3,满足了本次设计要求。1.2.4系统总线选择90年代,单片机(MCUMicrocontrollerUnit)及其外围器件技术有了惊人的发展,新一代单片机的出现,使人们可以
20、按对象需要选择合适的单片机;单片机的内外串行总线大大地简化了单机、多机与网络系统的硬件结构。可以说,新一代单片机技术的显著特点之一就是串行总线的推出。在没有专门的串行扩展总线时,只能通过并行总线扩展外围器件。而由于并行总线扩展时连线过多,外围器件工作方式各异,外围器件与数据存储器混合编址等,都给单片机系统设计带来较大困难。现在退出芯片间的串行数据传输技术,其设置了芯片间的串行传输接口或串行总线,起到了简化系统结构,提高系统可靠性的作用。新一代单片机中,除了必须的储存器扩展要用到并行接口之外,其他外围器件都可以通过串行方法进行扩展。由此,我们可以得到新一代单片机并行总线、串行总线扩展的优选模式如
21、图1.3所示:芯片间串行接口与串行总线分类:目前单片机应用系统中常用的串行扩展总线主要有MOTOROLA公司的串行外围接口SPI(SeralPeripheralInterface)、NS公司的MICROWIRE/PLUS串行同步双工通讯口和Philips公司I2CBUS(InterICBUS),下面介绍一下它们的特性:串行外围接口SPILED驱动LED显示P2.0单P0.0片SCLSDA机锁存器EPROM时钟I/O口RAMA/D,D/A数据存储器程序存储器I/O口键盘8并行扩展8串行扩展I2C总线图1.3并行总线、串行总线扩展的优选模式SPI是一种三线同步接口,其通过串行数据线(MISO、MO
22、SI)和串行时钟(SCK)实现芯片间的数据传送。图1.4为SPI串行扩展电路。SKMOSISPIMISOCSI主机端CS2CS3SKSPISI从机SOCSSKSPISI从机SOCSSKSPISI从机SOCS图1.4单主机SPI串行扩展电路从图1.4可以看出从机的选通是依靠每个人从器件的CS引脚的选通信号,因而数据送软件十分简单,省去了从器件的地址选择,但在扩展器件较多时,连线不会简洁。而且,其采用硬件片选,难免会占用I/O口线,使得口线使用紧张。在口线数目一定的情况下,从器件的数量会得到限制(与后面的I2C总线技术比较);反之,如果要增大从器件数目,无疑增加额外的I/O口扩展器件,又增大了系统
23、的功耗b)串行通讯接口MICROWIRE/PLUSSI为串行数据输入;SO为串行数据输出;SK为串行移位时钟。图1.5为MICROWIRE/PLUS接口串行扩展图。COP800HPC系列单片机主机SISOSKCSEPPROMDODICLKCSA/DDODICLKCOP800HPC系列单片机主机SOSISK图1.5MICROWIRE/PLUS接口串行扩展图从图1.5可以看到MICROWIRE/PLUS的优点同SPI相同,但同样没有能够避免SPI总线的缺点。C)I2C串行扩展总线I2C与SPI、MICROWIRE/PLUS接口不同,它以两根连线实现了完善的全双工同步数据传送。I2C总线采用了器件地
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