摘要:為了解決 CS400C 系列的渦輪流量計(jì)無(wú)法滿足稠油生產(chǎn)井的產(chǎn)液剖面測(cè)井需要這一問(wèn)題, 參考 DDL 系列的渦輪流量計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)研制了用于CS400C 測(cè)井系統(tǒng)渦輪儀器, 成功解決了稠油測(cè)井的問(wèn)題。 文章介紹新研制的稠油流量計(jì)的工作原理、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通訊電路, 并對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了分析。 實(shí)際應(yīng)用表明,**新型儀器工作可靠、誤碼率低、滿足了測(cè)井需要。

0 、引言：
  CS400C 系統(tǒng)是美國(guó)康普樂(lè)公司生產(chǎn)的生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng), 由于信號(hào)傳輸方式不同 , 無(wú)法與國(guó)內(nèi)常用的DDL 系列的渦輪流量計(jì)進(jìn)行配接 。 由于設(shè)計(jì)問(wèn)題 ,CS400C 系列的渦輪儀器設(shè)計(jì)不適合西部油田稠油生產(chǎn)井的產(chǎn)液剖面測(cè)井 ,測(cè)井成功率不到 20 %。為了解決稠油產(chǎn)出井的測(cè)井生產(chǎn)需要 , 拓展 CS400C 系統(tǒng)儀器適用范圍 ,我們參照 DDL 系列的渦輪流量計(jì)原理研制了適用于 CS400C 測(cè)井系統(tǒng)的稠油產(chǎn)出井渦輪流量計(jì) ,成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)配接, 經(jīng)以后的測(cè)井生產(chǎn)驗(yàn)證, 提高了稠油產(chǎn)出井的測(cè)井成功率 。

1、研制思路：
  在渦輪的設(shè)計(jì)上 ,CS400C 系列的渦輪葉片呈“X”形 ,葉片太稠密, 并且輪軸平面與底座之間只有 0 .5mm 的間隙 , 在稠油井的測(cè)井中經(jīng)常造成粘連卡堵現(xiàn)象 ,這是造成測(cè)井成功率低的主要原因 。所以在新儀器的設(shè)計(jì)中采用了DDL 系列的“S”形渦輪總成 。渦輪流量計(jì)的工作原理都基本相同, 都是把經(jīng)過(guò)管子截面的流體線性運(yùn)動(dòng)變成渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。所以與當(dāng)流體軸向流經(jīng)變送器時(shí), 流體的能量作用在葉輪的螺旋形葉片上 ,驅(qū)使葉輪旋轉(zhuǎn) 。葉輪軸上的磁鍵帶動(dòng)光電傳感器中的蝶形遮光片旋轉(zhuǎn), 使渦輪轉(zhuǎn)速能被光電管檢測(cè)出來(lái) 。但是在信號(hào)傳輸方式上, CS400C 與 DDL 系統(tǒng)有很大的差異 ,DDL 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的是渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù) ,CS400C 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的是渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期量。所以我們?cè)诟挠?ldquo;S”形渦輪流量傳感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計(jì)了渦輪流量信號(hào)的采集、處理及通訊電路 。

2、儀器工作及通訊原理：
  重新設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)采用了 S 型渦輪, 其材質(zhì)為鋁合金,表面噴涂不粘油材料。渦輪流量計(jì)原理框圖如圖 1 所示。渦輪的傳感器部分為光電總成 。光電總成的輸出經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器和信號(hào)處理電路的處理后變?yōu)闃?biāo)志轉(zhuǎn)速的脈沖和標(biāo)志方向的電平 。流量計(jì)光學(xué)部分傳感器的遮光板是磁性的, 在渦輪軸上也有一個(gè)磁鐵 。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于磁場(chǎng)作用的結(jié)果 ,遮光板也隨之轉(zhuǎn)動(dòng) ,于是固定在兩個(gè)不同位置的光電二極管相繼導(dǎo)通或截止,A 、B 兩點(diǎn)出現(xiàn)了相差大約 90°的方波 ,并且渦輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,A 、B 兩點(diǎn)的方波變化兩個(gè)周期 。此信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器整形 、信號(hào)處理后送到通訊板[ 1]。

圖 1 　渦輪流量計(jì)原理框圖
  儀器通訊板主要完成數(shù)據(jù)的采集處理和接收遙測(cè)的尋址地址 、命令并響應(yīng)地址發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù) 。CS400C系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)傳輸速率為 4 800 b/s 的 11 位串行不歸零碼 , 即1個(gè)起始位 , 8個(gè)數(shù)據(jù)位 , 1個(gè)偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位 。地址和命令在 25V 的儀器總線上傳送, 對(duì)于數(shù)字 1 表示為 30 V 電平,脈沖幅度為 5 V 。儀器的數(shù)據(jù)字也在儀器總線上傳送, 對(duì)于數(shù)字 1 表示為 20 m A的電流增加 。儀器工作時(shí), 遙測(cè)短節(jié)接收來(lái)自地面儀器的 11 位串行地址字和 11 位串行命令命令字, 并轉(zhuǎn)換成不歸零碼傳送到儀器總線上。相應(yīng)地址的儀器響應(yīng)遙測(cè)短節(jié)發(fā)送的地址,送出 2 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù), 并通過(guò)遙測(cè)短節(jié)轉(zhuǎn)換成雙極性歸偏碼, 驅(qū)動(dòng)放大后傳送到地面儀器 。

3 、儀器信號(hào)處理和通訊電路分析：
 **新設(shè)計(jì)的流量計(jì)主要由光電總成 、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)通訊電路三部分組成。信號(hào)處理電路原理圖如圖 2 所示 。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈, T4 端產(chǎn)生 8 個(gè)脈沖, 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向用 CW/CCW(順時(shí)針/逆時(shí)針)T5 端點(diǎn)的高低 電平表示 。T4 端的脈沖信號(hào)和T 5端CW /CCW 方向輸出的信號(hào)都送到了通訊 A1 板。在 A1 板上渦輪方向CW/CCW 連到U3(MC14469)的 S7 腳 ,也就是說(shuō)遙測(cè)短節(jié)發(fā)送的流量計(jì)數(shù)據(jù), ***高有效位代表渦輪方向 。本流量計(jì)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈 ,電子線路輸出 8 個(gè)脈沖,并具有方向判別功能。
  板上端點(diǎn) T6 、T8 的信號(hào)來(lái)自光學(xué)部分總成的兩道相差 90°的方波 。該信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器U1 整形后, 通過(guò)四個(gè)微分電路分別送到了雙 D 觸發(fā)器U2 、U3 的置位和復(fù)位端。U2 、U3 的輸出經(jīng)過(guò)另外四個(gè)微分電路后 , 由 U4 分別進(jìn)行整形。當(dāng)U1 -3 的輸出呈現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí) , U2 B -Q 被清零 , 于是 U2 B -Q 輸出變?yōu)榈碗娖?, C5 開(kāi)始通過(guò) R 8 充電。起初,U4 輸入端 1 、2 電壓較低, 輸出端 3 為高電平, 隨著 C5充電過(guò)程不斷進(jìn)行 ,U4 -1 、2 腳電壓逐漸上升,當(dāng)達(dá)到 U4 的觸發(fā)電壓時(shí) ,U4 輸出迅速反轉(zhuǎn)為低電平 。

  因此U1 -3 每輸出一個(gè)上升沿,U1 -3 就 出現(xiàn)一個(gè)正脈沖 。同樣 ,U1 -3 每產(chǎn)生一個(gè)下降沿 ,U4 -11就輸出一個(gè)正脈沖;同理,U1 -4 每產(chǎn)生一個(gè)上升沿和下降沿 ,就分別在 U4 -4 和U4 -10 輸出一個(gè)正脈沖。U4 的四個(gè)輸出由 CR1 –CR4 或在一起 。
  所以 , 對(duì)應(yīng)于 U1 -3 和U1 -4 輸出的每一個(gè)上升沿和下降沿, 端點(diǎn)T4 都有一個(gè)正脈沖出現(xiàn) 。又因?yàn)闇u輪每旋轉(zhuǎn)一周,U1 -3 和 U1 -4 都變化兩個(gè)周期 , 各有四個(gè)上升 、下降沿, 故渦輪每轉(zhuǎn)一周 ,板上端點(diǎn)T4 有 8 個(gè)脈沖輸出。
  U2 -1 用于鑒別渦輪轉(zhuǎn)向 , 當(dāng)渦輪順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,U1 -3 超前 U1 -4 π/ 2 , U 2 時(shí)鐘(即 U 1 -4)的上升沿對(duì)應(yīng)的(U1 -3)輸入方波的高電平部分, 所以 U2 -1輸出為“1” ;當(dāng)渦輪逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí),U4 -3 滯后   U4-4 π/2 , U2 時(shí)鐘的上升沿對(duì)應(yīng)U1 -3 輸入方波的低電平部分,因此 U2 -1 輸出為“0” 。即, 當(dāng)渦輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí) ,板上端點(diǎn) T5 輸出高電平, 當(dāng)渦輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí) ,端點(diǎn) T5 輸出低電平 。
由于 CS400C 測(cè)井系統(tǒng)通訊的特殊性 , 我們按照CS400C 的信號(hào)格式重新設(shè)計(jì)了通訊電路 , 成功地實(shí)現(xiàn)了地面系統(tǒng)和井下儀器的通訊配接。改造后的通訊電路原理圖如圖 3 所示。主要由穩(wěn)壓電源 、信號(hào)檢波驅(qū)動(dòng)電路 、時(shí)鐘電路 、計(jì)數(shù)器電路 、數(shù)據(jù)鎖存電路 、清零鎖存時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路 、可編程分頻電路和通用異步串行通訊電路部分組成 。

圖 3 　通訊電路原理圖
  圖 3 中 , 穩(wěn)壓電源、信號(hào)檢波放大、驅(qū)動(dòng)電路由Q1 、D 1 、V R1 、C 2 、R 3 組成 +12 V 穩(wěn)壓電源 , 給通訊板提供電源 ;Q2 、R4組成信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路 , R4可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)脈沖幅度。Q4 、C1、R1、R2、R10組成信號(hào)檢波放大電路 , 反相放大后的信號(hào)送到MC14469 進(jìn)行接收。時(shí)鐘電路由 U1 :A 、U1 :B 、U2 組成時(shí)鐘電路, 分別為不同的 電 路 提 供 工 作 時(shí) 鐘。 計(jì) 數(shù) 器 電 路 由 U6(CD4040)、U7(CD4040)組成 16 位計(jì)數(shù)器。時(shí)鐘信號(hào)由 U4 -13 腳提供, 復(fù)位清零信號(hào)由 U5 -1 腳產(chǎn)生。數(shù)據(jù)鎖存電路由 U8 、U9 、U10 三個(gè) 6 位數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成一個(gè) 16 位數(shù)據(jù)鎖存器 , 鎖存時(shí)鐘由 U5 -10 腳產(chǎn)生 。U5(4017)為計(jì)數(shù)器清零、鎖存器時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路 。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 標(biāo)志轉(zhuǎn)速的 T4 端脈沖信號(hào)送到U5 的復(fù)位端 , 在 U5 -14 腳時(shí)鐘(2 .457 6 MHz)的作用下 ,當(dāng)?shù)?5 個(gè)脈沖到來(lái)時(shí) U5 -12(CO)腳輸出低電平到 U4 -7(CLKINH), 使 U5 禁止時(shí)鐘輸出 。同時(shí), U5-10(Q4)輸出正脈沖到 3 個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器的時(shí)鐘端, 使鎖存器產(chǎn)生數(shù)據(jù)鎖存 ;當(dāng)?shù)?6 個(gè)脈沖到來(lái)時(shí), U5 -1(Q5)輸出正脈沖使計(jì)數(shù)器清零 。之后計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)[ 2]。MC14566 集成電路是16 位或 24 位二進(jìn)制可編程定時(shí)/分頻器, 由 U4 -6 腳 8BYP 端控制, 高電平為 16 位, 低電平為 24 位 。A 、B 、C 、D 端口為編程控制段,共 16 種狀態(tài), 也就是說(shuō), 根據(jù)A 、B 、C 、D 端口的狀態(tài)可以產(chǎn)生 216 個(gè)分頻值, 從U4 -13 腳(DOUT)輸出 ,為計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘信號(hào) ,作為脈沖周期測(cè)量的基準(zhǔn)時(shí)鐘。MC14469 是通用異步串行數(shù)據(jù)通訊接口電路[ 3],它完成串行地址命令的接收、地址的判別及數(shù)據(jù)的發(fā)送工作 。

4、結(jié)束語(yǔ)：
  儀器改造完成后 ,首先在于地面儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配接,開(kāi)始地面能夠接收到數(shù)據(jù)但誤碼較多 , 經(jīng)認(rèn)真分析和調(diào)整電路后 , 問(wèn)題得到解決 。原因是 CS400C 系統(tǒng)儀器總線要求地址命令信號(hào)幅度為 5 V , 數(shù)據(jù)信號(hào)的幅度為 2 .5 V 。如果數(shù)據(jù)信號(hào)幅度高于 2 .5 V ,那么通訊電路不能將地址、命令和數(shù)據(jù)信號(hào)區(qū)分開(kāi), 造成誤判,出現(xiàn)誤碼 。通過(guò) 5 口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井試驗(yàn) ,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 ,儀器工作可靠 ,資料符合要求。