石油钻井传感器选型

一：传感器选型压力传感器：JYB-KB-PAG-10压力变送器技术指标防爆类型防爆型量程10MPa输出信号4~20mA电流输出系统通用指标测量介质油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质防护等级IP65长期稳定性≤±0.1%FS/年热力零点温漂≤0.02%FS/℃介质温度-20~85℃电气连接接线端子环境温度-30~85℃过程连接M20×1.5外螺纹响应时间≤100mS迟滞性和可重复性≤±0.1%FS精度±0.5％FS非线性≤±0.2%FS供电电源+24VDC取压方式;表压外壳类型：防护型铸铝外壳探头材质扩散硅过载压力2倍量程负载能力：电流型≤600Ω(不带显示);电压型≥3KΩ工作原理;压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A/D转换。D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准。温度传感器：2.直径为3mm、长为27cm的Pt100型传感器，根据0.10℃刻度的温度测试仪作为标定标准，利用软件来矫正其非线形失真，该产品实现对石油倾点温度信号的采集和标定。Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为(1)-200℃t0℃时，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](1)(2)0℃≤t≤850℃时，RPt100=100(1+At+Bt2)(2)式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。测量范围-200℃~850℃允许偏差值△℃A级±(0.15+0.002|t|)；B级±(0.30+0.005|t|)热响应时间30s最小置入深度热电阻的最小置入深度≥200mm允通电流≤5mA(电流不能大于5mA，而电阻随温度变化，所以电压也要注意)三、根据倾点温度测试的国内外要求-温度每降2℃就要对油样的凝结情况进行检测，我们设计了测量过程(如图1)。2、电桥采集数据的电路图及原理Pt100电桥电路如图2所示。其中，R1、R2、R3、RPt100组成电桥，R1=R2=R3=R0。为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，电桥电压不宜太高，一般要求Im5mA，电桥电压Vbrg=1V。电桥输出压差为：VD=RPt100+R0−2R02(RPt100+R0)Vbrg=RPt100−R02RPt100+R0Vbrg(3)令RPt100−R0=∆R，则有VD=∆R2RPt1(4)由Pt100温度/阻值对应关系式可知，当温度较低时，Pt100的阻值变化量∆R相对于R0较小，则电桥输出压差为：VD=∆R4R0Vbrg即VD正比于Pt100传感器的阻值变化量∆R，也说明温度较低时，Pt100传感器的线性度良好；当温度较高时，∆R/R0的值较大，Pt100传感器的线性度变差，此时要用软件来较正。四、测量中的定量计算及误差分析1、运算放大器放大倍数的确定由传感器的温度和阻值关系式可知，当温度变化1℃时，Pt100的阻值变化约为0.38Ω，对应的电桥输出压差为：VD=∆R4R0Vbrg=0.001V若采用8位A/D转换器，分辨率为0.0196V，则运算放大器的最小放大倍数应为20倍。若测温的上限定为85℃(倾点温度一般小于该温度)，Pt传感器在85℃时的理论阻值为132.8Ω，电桥电压为1V，则VD=0.08296V≈0.083V，即运放的最大放大倍数为60.3。综合上述，可限定运放的放大倍数应在20~60之间。2、误差分析(1)桥电压Vbrg=1V时波动产生的误差[2]从上面的分析可知，在某一温度时，Pt﹑R0不变，设电桥电压有∆Vbrg(mV)的变化，就会导致VD有∆VD=∆R+4R0∆VbrgmV的变化。在0℃时，∆R=5Ω，则∆VD=54×95∆Vbrg=0.013∆VmVPt100电桥将温度转为电压信号将电压信号扩大适当倍数A/D卡将电压信号转化为数字量将数字量转变为温度值，并进行修正将端口上的数字量读入计算机;若令∆VD=1mV，则∆V=76mV，即0℃左右，电桥电压Vbrg有76mV波动，会引起1℃的温度误差；同理在85℃左右，电桥电压有10mV的波动，则会引起1℃的温度误差。可见电桥电压Vbrg=1V时的波动系数给对测温带来的误差是很大的，应将其电压波动限制在1mV的级别上。(2)运放非线性产生的误差由于运放的放大倍数应在20~60之间，可将放大倍数定为50；若测温范围是0℃~85℃，则在0℃时，VD=13mV；在85℃时，VD=99.5mV，说明输入信号的范围在13mv~99.5mV之间变化。以平均值50作为放大倍数，此时输入信号为13mV，换算出来的输入电压信号值为12.48mV，∆VD=-0.52mV，将会引起约1.5℃的误差。由此可见运放的非线性将会带来大约1.5℃的误差，在实际测量中，提高运放线性度以及运放放大倍数均可以减少由运放带来的误差。(3)A/D转换器非线性带来的误差在实际应用中会发现，对同一模拟输入信号Vi，经A/D转换得出的数字量会有±1位的跳变，这是由A/D转换器的判断误差造成的。A/D转换器的一位跳变对应的电压值，即为该八位A/D转换器的分辨率，为0.0196V=19.6mV；折算到输入端对应的电压值为0.392mV，将会产生0.392℃的温度误差。(4)A/D转换器参考电压Vref带来的误差A/D转换器采用逐次逼近式转换器AD0809，其转换速度较慢，如果输入信号在转换过程中不断变化，则易发生错误，使用时应加采样保持器，且只对本次采样的信号进行转换，以确保转换信号的可靠性。另外，在比较转换过程中，Vref的变化会对输出的二进制代码有影响：在模拟输入信号不变的情况下，Vref变大会导致输出的二进制代码变小；反之，则变大，从而导致了温度误差。五、注意事项与结论使用中应注意，由于热惰性会使热电阻阻值变化滞后，为消除误差，应尽可能地减少热电阻保护管外径，适当增加热电阻的插入深度使热电阻受热部位增加。要经常检查保护状况，发现氧化或变形应立即采取措施，并定期进行校验。热电阻应避免放置在炉旁或距加热体太近，应尽量安装在震动小的地方；同时为便于施工和维护。安装位置应尽可能保持垂直，但在有原油流动时则必须倾斜安装，接线盒出孔应向下。由上面的分析可得，为了提高温度测量的准确性，应使用1V电桥电源、A/D转换器的5V参考电源要稳定在1mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器、A/D转换器和运放的线性度要高。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在±0.2℃质量流量计:艾默生罗斯蒙特2700-1700质量流量测量原理一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力=质量×加速度（F=ma）如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：（1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P轴；（2）切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥利力Fc=2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度Δx的管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc：ΔFc=2ωVρAΔx（1）式中，A—管道的流通截面积。由于存在关系式：mq=ρVA所以：ΔFc=2ωqmΔx（2）因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。传感器内是U型流量管（图2），在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的（图3）；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。由于一个流管的扭曲滞后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量。电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间差”ΔT经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流管外表上的铂电阻温度计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。密度测量原理：流量管的一端被固定，而另一端是自由的。这一结构可看做一重物悬挂在弹簧上构成的重物/弹簧系统，一旦被施以一运动，这一重物/弹簧系统将在它的谐振频率上振动，这一谐振频率与重物的质量有关。质量流量计的流量管是通过驱动线圈和反馈电路在它的谐振频率上振动，振动管的谐振频率与振动管的结构、材料及质量有关。振动管的质量由两部分组成：振动管本身的质量和振动管中介质的质量。每一台传感器生产好后振动管本身的质量就确定了，振动管中介质的质量是介质密度与振动管体积的乘积，而振动管的体积对每种口径的传感器来说是固定的，因此振动频率直接与密度有相应的关系，那么，对于确定结构和材料的传感器，介质的密度可以通过测量流量管的谐振频率获得。利用流量测量的一对信号检测器可获得代表谐振频率的信号，一个温度传感器的信号用于补偿温度变化而引起的流量管钢性的变化，振动周期的测量是通过测量流量管的振动周期和温度获得，介质密度的测量利用了密度与流量管振动周期的线性关系及标准的校定常数。科氏质量流量传感器振动管测量密度时，管道钢性、几何结构和流过流体质量共同决定了管道装置的固有频率，因而由测量的管道频率可推出流体密度。变送器用一个高频时钟来测量振动周期的时间，测量值经数字滤波，对于由操作温度导致管道钢性变化，进而引起固有频率的变化进行补偿后，用传感器密度标定系数来计算过程流体密度。四、信号特性:罗斯蒙特公司的变送器为模块化并带有微