潜油电泵井下温度压力监测系统研究

摘 要：文章针对潜油电泵井下温度压力监测系统进行研究。地面系统利用星点等势法为井下监测系统提供所需的直流电压，并将采集到的电流信号实时处理和传输，从而实现对潜油电泵井下工作状态的在线监测。井下监测系统将传感器信号通过预处理，转换为电流信号后利用铠皮通道传输至地面。同时通过不同的地面系统供电电压来对压力和温度的测量进行切换。实验表明，本系统采用的供电方式简便，信号传输效率高，地面数据处理电路可靠性高，其为优化潜油电泵井下开采提供了可靠的技术支持。

关键词：潜油电泵井下温度压力监测；星点等势法；电流传输信号'

1 概述

潜油电泵井下压力和温度参数的监测对提升采油技术水平，实现对机组进行故障预测与健康管理，保证潜油电泵持续高效稳定的工作，具有着重要的实际价值。

2 总体方案

综合潜油电泵的特点，系统利用星点等势法为井下供电。在井上制作一个三相电抗器作为工星点，并且保证该电抗器的三个绕组各相的参数相同，在电抗器的对称性足够好的情况下，星点相当于零点，电机绕组的中性点与地面电抗器的中性点等电势，三相电抗器可以消除三相高电压不平衡对系统造成的损害，同时在地面星点处叠加直流电压，可以对井下进行直流供电。信号传输通道原理如图1所示。在潜油电泵井下工作环境下，电压容易受到干扰，而且在远距离传输时电缆的阻抗会对传输信号有所影响，而电流信号相对稳定，因此潜油电泵井下温度压力参数监测系统采用两线制4～20mA电流信号进行数据传输。本系统利用铠皮作为地线进行信号传输通道，具有较强的抗干扰能力，无需单独铺设电缆，降低成本。

潜油电泵井下温度压力参数监测系统内部硬件按功能主要可分为供电电路、通道切换电路、滤波电路和数据采集电路等。如图2所示为系统原理图。地面对井下电路进行分时供电，对数据进行采集；滤波单元减小交流电压对监测系统的危害；井下通道切换电路根据地面供电电压不同来切换测量通路；温度和压力变送器输出的电流信号分时通过电缆铠皮传输至地面，并通过三相动力电缆和铠皮连成一个回路。

3 系统硬件设计

3.1 温度压力变送器选型

变送器的性能对潜油电泵井下参数监测系统的信号检测精度和稳定性有着极大的影响，对变送器的选型应满足工作温度下稳定工作，且满足系统设计的性能指标。本文选用西安新敏电子科技有限公司生产的CYB15压力变送器和SBYW温度变送器，这两款变送器均为直流电压供电，二线制4～20mA电流信号输出，适合石油化工领域的工业检测和控制使用。

3.2 通道切换电路

由于系统需要采集温度和压力两个信号量，因此需要在井下设计一个通道切换电路。本系统采用的通道切换电路是由多通道模拟选择开关和电压检测电路两部分所组成。以电流信号作为传输媒介，对温度和压力进行分时数据采集。如D3所示为通道切换电路。ADG5404是一款互补金属氧化物半导体（CMOS）模拟选择开关，内置4个单通道。并且它具有转换时间快、小于10欧姆导通阻抗、工作输入电压范围宽等特点。导通电阻曲线在整个模拟输入范围都非常平坦，可确保开关信号时拥有出色的线性度和低失真性能，完全符合本系统研制要求。

采用LM293芯片是因为其产生的时序时间可控，本系统设置切换时间为20s。在上位机程序上采用的是切断井下供电延时1s再重新启动来达到消除时间累积的目的。ADG5405芯片通过加载在A0与A1端的时序信号来选通具体的导通端口。本系统应用的是两个参数，只需要两路导通即可，所以应用LM293作为ADG5404的时序触发信号，在LM293的第3引脚输出信号并连接到ADG5405的A0与A1管脚，如此便产生了00与11的时序信号，以此来导通S1与S4两个端口，从而实现通道的选择，使得温度和压力可以分时段切换传输。

3.3 滤波电路设计

潜油电泵井下监测系统需要滤波器来消除变频供电在电机星点中产生的高电压和三相短路接地时在星点产生的极高脉冲电压，保证装置的长时间高效稳定的工作。滤波电路如图4所示。本文采用串联电抗及并联电容的方法来抑制高电压和高脉冲电压，从而有效地保护井下温度压力变送器。

3.4 温度压力采集电路设计

温度压力采集电路主要通过AD7705芯片和LPC2378单片机来完成。AD7705采用了Σ-Δ技术，可以获得16位无误码数据输出。具有两个全差分输入通道，可编程单极性或双极性输入，前端可编程增益等功能。AD7705具有高分辨率、抗噪声、自校准、低功耗等特点，十分适合仪表测量和工业控制等领域的应用。图5所示为本系统数据采集电路。

LPC2378是通过模拟的SPI通信方式以普通I/O接口与AD7705进行连接。D1是稳压管，D2是肖特基二极管，其作用是为了防止电流过大将AD芯片烧坏。选择R1、R2是为了增加采样精度。AIN（+）为信号输入端，AIN（-）通过+5V电压、固定电阻R4、R5和可调电阻R3形成一个伪差分通道。通过调节R3可防止数据在输入端和输出端边界时导致转换的数据失真，使AD转换的精度到达最高从而使其适应每套系统下不同的电流。

4 系统软件设计

本系统软件部分采用C语言编程实现，程序采用模块化研制，具有可读性强、移植性高的特点。潜油电泵井下温度压力参数监测系统使用NXP公司的LPC2378，该芯片具有抗干扰性强、支持在线编程、低功耗、价格低等特点。其软件部分主要分为两部分，其中一部分控制井下电源信号的变化，用于数字滤波、参数采样和数据发送。另一部分主要完成信号采样、故障处理等功能。如图6所示就是主程序的软件流程图。系统上电后，先进行初始化系统配置，然后开始读取当时的时间参数，此时单片机控制继电器接通60V直流电，开始测量温度参数，测量20s后，将采集到的时间和温度参数进行发送。然后将继电器切换到90V直流电通道，开始测量压力参数。再将压力参数进行发送。

5 实验结果

本文设计的潜油电泵井下温度压力参数监测系统在实验室中进行了模拟工作试验。试验采集了大量有效数据，数据分析表明该系统具有较高的精确度和稳定性，可以证明本文中所研究的系统可以在正常的工作环境下稳定工作，并且能够保持温度压力测量的准确性。经过多次测试，该系统表现稳定可靠。所测得的数据如表1所示。

6 结束语

本文对潜油电泵井下温度压力参数监测的硬件主要模块和软件主程序做了详细讲述。结合潜油电泵的特点，提出采用两线制电流信号传输井下数据，通过地面系统对井下监测系统进行供电，通道切换电路对温度和压力进行分时采集。电路调试已经完成，实验所得数据满足需求，并且具有较高的稳定性和精确度，具备现场的试验条件。

参考文献

[1]张文.井下信号传输与调理方法研究[D].哈尔滨工程大学，2013.

[2]叶欣.潜油电泵井下温度压力在线监测系统研究[D].西安石油大学，2013.

[3]付岳峰.潜油电泵井井下压力温度测试系统研究[D].西安：西安石油大学，2008.

[4]王志平.井下数据采集与传输方法研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学，2011.

[5]蒙丽娜.电泵井下测试系统研究[D].西安：西安石油大学，2010.

作者简介：白山（1959-），男，教授级高工，硕士生导师，研究方向为特种电机及其控制。

崔景欣（1990-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术及其应用。

徐作为（1990-），男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制技术。