張鋒 劉東

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1 背景技術(shù)

壓力是油田現(xiàn)場用得最多的待測(cè)物理量，壓力表則廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)中需要測(cè)油管內(nèi)壓的場合，大致可分為油壓表、套壓表和回壓表。它能夠自動(dòng)采集石油管道內(nèi)部油體的壓力數(shù)據(jù)，壓力數(shù)據(jù)通過油井遠(yuǎn)程采集終端設(shè)備RTU上傳至石油網(wǎng)關(guān)設(shè)備。壓力數(shù)據(jù)的產(chǎn)生則來源于壓力傳感器信號(hào)的采集和標(biāo)定算法[1]。

2 標(biāo)定方法

輸油管道壓力表上電后，通過串口發(fā)送進(jìn)入標(biāo)定模式命令。設(shè)定溫箱環(huán)境溫度標(biāo)定值并保持穩(wěn)定。設(shè)定壓力源輸出某一壓力標(biāo)定值并保持穩(wěn)定。創(chuàng)建操作系統(tǒng)采集定時(shí)器，單片機(jī)ADC按照采集時(shí)間間隔自動(dòng)采集壓力傳感器輸出的數(shù)字量。分析單片機(jī)ADC采集數(shù)據(jù)，去除采集數(shù)據(jù)中的極值，并計(jì)算得到平均值。改變溫箱環(huán)境溫度標(biāo)定值后，再次進(jìn)行采集。根據(jù)分析不同溫箱環(huán)境溫度的壓力傳感器采集數(shù)字量，經(jīng)第一階段插值擬合出兩者的映射關(guān)系。在當(dāng)前環(huán)境溫度下，記錄第一階段插值算法得出的實(shí)時(shí)數(shù)字量。改變壓力源輸出的壓力標(biāo)定值，記錄不同壓力標(biāo)定值下的實(shí)時(shí)數(shù)字量。根據(jù)分析當(dāng)前環(huán)境溫度和壓力源輸出不同壓力值條件下，對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)字量和全量程范圍的壓力值，經(jīng)第二階段插值計(jì)算，擬合出兩者的映射關(guān)系。經(jīng)這兩次插值計(jì)算，可最終擬合出在不同環(huán)境溫度下，壓力傳感器輸出的數(shù)字量與全量程范圍壓力值的函數(shù)關(guān)系[2]。

3 關(guān)鍵原理

第一階段插值計(jì)算是將壓力表設(shè)備放置于高低溫箱中，根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度點(diǎn)設(shè)定環(huán)境溫度標(biāo)定值T1為-40℃，為了溫度達(dá)到穩(wěn)定要恒溫控制1～2小時(shí)，保證壓力表設(shè)備的單片機(jī)內(nèi)部溫度傳感器采集的溫度值和高低溫箱的溫度保持一致。同時(shí)調(diào)整壓力源輸出壓力標(biāo)定值，設(shè)定為6.000MPa，將其標(biāo)記為P1。啟動(dòng)壓力源輸出開關(guān)，使壓力源輸出至目標(biāo)壓力標(biāo)定值P1，保持穩(wěn)定狀態(tài)1～2分鐘。使單片機(jī)進(jìn)入標(biāo)定模式，單片機(jī)ADC自動(dòng)按照采集時(shí)間間隔對(duì)數(shù)字量進(jìn)行采集，每次采集動(dòng)作為連續(xù)采樣32次，將采樣的32個(gè)元素存儲(chǔ)在數(shù)值濾波數(shù)組內(nèi)，用直接插入排序法對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行排序，去除元素中最大值和最小值，對(duì)剩余的30個(gè)元素進(jìn)行求平均值計(jì)算，得出實(shí)時(shí)數(shù)字量。通過串口發(fā)送查詢實(shí)時(shí)數(shù)字量命令，得到當(dāng)前單片機(jī)的ADC采集的實(shí)時(shí)數(shù)字量，將其標(biāo)記為D11。

調(diào)整高低溫箱環(huán)境溫度標(biāo)定值T2，將其溫度設(shè)定為-10℃。按照上述標(biāo)定控制方法得到溫度T2時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)字量，將其標(biāo)記為D12。

將得到的D11和D12實(shí)時(shí)數(shù)字量數(shù)值，經(jīng)過第一階段插值算法，進(jìn)行曲線擬合。將第一階段插值計(jì)算得到的實(shí)時(shí)數(shù)字量與高低溫箱產(chǎn)生的環(huán)境溫度建立起映射關(guān)系。設(shè)當(dāng)前環(huán)境溫度下的實(shí)時(shí)數(shù)字量為S1，當(dāng)前單片機(jī)溫度傳感器采集的環(huán)境溫度值為T，建立映射關(guān)系如下公式所示：

進(jìn)而推導(dǎo)出當(dāng)前環(huán)境溫度下的實(shí)時(shí)數(shù)字量S1為：

再次調(diào)整高低溫箱環(huán)境溫度標(biāo)定值，使溫度分別設(shè)置為0℃、20℃、40℃、60℃、85℃，按照上述標(biāo)定控制步驟，得到這些溫度下的對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)字量D1n。則在全部模擬環(huán)境溫度段中的計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)字量的通用公式為：

第二階段插值計(jì)算是利用第一階段插值算法得到的實(shí)時(shí)數(shù)字量S1，再次調(diào)整壓力源輸出的壓力標(biāo)定值，將其設(shè)定為4.500MPa，標(biāo)記為P2。啟動(dòng)壓力源輸出開關(guān)，使壓力源輸出至目標(biāo)壓力標(biāo)定值P2，保持穩(wěn)定狀態(tài)1～2分鐘。按照第一階段插值操作方法，計(jì)算得到當(dāng)前環(huán)境溫度下的實(shí)時(shí)數(shù)字量，將其結(jié)果標(biāo)記為S2。

將得到的S1和S2實(shí)時(shí)數(shù)字量數(shù)值，使用插值算法，進(jìn)行曲線擬合。將第一階段插值計(jì)算得到的實(shí)時(shí)數(shù)字量與傳感器壓力數(shù)值建立起映射關(guān)系。設(shè)當(dāng)前環(huán)境溫度下的壓力源輸出的壓力值為P，當(dāng)前環(huán)境溫度下第一階段采集的實(shí)時(shí)數(shù)字量為S，建立映射關(guān)系如下公式所示：

進(jìn)而推導(dǎo)出當(dāng)前壓力傳感器采集的壓力值P為：

再次調(diào)整壓力源輸出的壓力標(biāo)定值，使其分別調(diào)整到3.000MPa、1.500MPa、0.000MPa，按照上述第二階段壓力標(biāo)定控制方法，得到當(dāng)前溫度下其他壓力標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)字量。設(shè)在當(dāng)前溫度下，某兩個(gè)壓力標(biāo)定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)字量為Si和Si+1，對(duì)應(yīng)的壓力標(biāo)定值為Pi和Pi+1，在當(dāng)前環(huán)境溫度下采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)字量為S，所要求得的壓力傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)值為P。則在全量程壓力范圍內(nèi)的壓力值計(jì)算公式為：

通過兩個(gè)階段的標(biāo)定，使壓力表輸出壓力值的精度可達(dá)到5‰，滿足油田使用要求。

4 結(jié)束語

本方法大幅度降低了環(huán)境溫度對(duì)壓力傳感器采集的數(shù)值帶來的誤差，細(xì)化了環(huán)境溫度線性區(qū)間，同時(shí)降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而達(dá)到提高壓力表的壓力值精度的目的。