摘 要 在油井開采過程中，需要對油井的溫度、壓力、動液面等參數(shù)進(jìn)行不定期測量以監(jiān)控采油過程，其中動液面是一個重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的動液面測量方法由人工操作、人工信號判讀。其數(shù)據(jù)計算整理工作繁瑣，誤差大、自動化程度低、效率低。本文分析了傳統(tǒng)動液面測量并與新型的動液面測量系統(tǒng)進(jìn)行對比，研究了動液面測量的詳細(xì)步驟。并 以 STC89C52 單片機(jī)為核心 設(shè)計 超聲波測距的硬件電路和軟件 來模擬動液面檢測系統(tǒng) 。 首先設(shè)計了系統(tǒng)的整體方案，整個電路采用模塊化設(shè)計，包括 控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示等模塊等，軟件 由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射 子程序、接收子程序、顯示子程序等組成。最后對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，實現(xiàn)了測距的功能。 關(guān)鍵字： 動液面； STC89C52；油井； 測距 Abstract In the process of oil exploitation， the well needs irregular detection of temperature, pressure, working level and other parameters to monitor a production process The working level is an important parameter Traditional working level measurement by the manual operation and artificial signal interpretation. Data collation and calculation are complicated with big error, low degree of automation and low efficiency. This paper analyzes the traditional working level measurement compared to the new measurement system, and studies the working level measurement detailed steps. The hardware and software of the ultrasonic range is designed based on STC89C52 to simulate the working level detection system. First, the overall scheme of the system is designed with module design method, including control module, data acquisition module, display module etc. The software consists of main program, preset subroutine, launched subroutine, receive subroutine. display subroutine and so on. Finally, debugging the system and the system implements the functions of ranging. Key words: Working level； STC89C52； Oil well； Distance measurement I 目 錄 第 1 章 緒論 . 1 1.1 課題的來源及意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 1.3 研究內(nèi)容 . 3 第 2 章 動液面測量基礎(chǔ) . 4 2.1 液位測量方法 . 4 2.2 數(shù)字儀表 . 5 2.3 動液面測量系統(tǒng)及研究內(nèi)容 . 6 2.4 超聲波測距模擬動液面檢測系統(tǒng) . 8 2.5 本章小結(jié) . 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 10 3.1 控制器模塊設(shè)計 . 10 3.2 顯示模塊設(shè)計 . 14 3.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 . 16 3.4 報警電路模塊設(shè)計 . 17 3.5 系統(tǒng)總電路圖 . 18 3.6 本章小結(jié) . 19 第 4 章 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計 . 20 4.1 STC89C52 單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 . 20 4.2 主程序流程 . 20 4.3 數(shù)碼管顯示驅(qū)動程序 . 21 4.4 中斷程序 . 22 4.5 定時器初始化子程序 . 22 4.6 A/D 轉(zhuǎn)換程序 . 23 4.7 本章小結(jié) . 23 II 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 . 24 5.1 安裝 keil 軟件 . 24 5.2 程序調(diào)試 . 29 5.3 調(diào)試成果 . 33 5.4 本章小結(jié) . 34 結(jié) 論 . 35 參考文獻(xiàn) . 36 致 謝 . 37 附 錄 . 38 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1章 緒論 1.1課題的來源及意義 油田在開采初期，油井主要依靠原始的地層能量，利用原始地層壓力進(jìn)行自噴開采。在開采過程中，地層能量逐漸減低，油井必須依靠人工開采的方式將原油從地層舉升至地面。在利用人工舉升方式進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，需要了解油井的參數(shù)，來分析判斷油井的工作情況，其中動液面深度是一個非常重要的參數(shù)。 油井動液面一般采用根據(jù)聲波反射原理的回聲儀測量。以往使用的回聲儀都是將微音器得到的回聲波信號經(jīng)過放大、濾波之后打在紙帶上，然后進(jìn) 行人工分析。這種方法會由于指針的靈敏性和外界的干擾造成分辨率低、不易辨識等問題。隨著電子技術(shù)，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以設(shè)計一定的電路，將微音器得到的回聲波信號經(jīng)過放大、濾波之后經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字化信號，記錄和存儲在計算機(jī)上來進(jìn)行分析和解釋。對測量動液面反射聲波的數(shù)字化有著很多的優(yōu)點。第一，經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字化，信號的分辨率得到了提高，不再受到紙帶分辨率差的限制。第二，計算機(jī)可以利用回聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行自動、實時處理得到油井動液面深度。第三，計算機(jī)可以經(jīng)過編程實現(xiàn)無人值守操作，自動對油井動液面深度進(jìn)行測量 ，提高了安全性和工作效率。 油井動液面深度從井口到數(shù)千米不等，油井的井身軌跡并不是嚴(yán)格地豎直，會出現(xiàn)彎曲，從而使聲波傳播過程中受到影響。隨生產(chǎn)的進(jìn)行，油井壓力和溫度都會發(fā)生變化，井中的各種流體、固體隨著溫度和壓力的變化而有狀態(tài)和性質(zhì)的變化，因此油井的油套環(huán)空中的狀態(tài)是復(fù)雜的，復(fù)雜的情況容易使動液面的測量出現(xiàn)一些干擾。除去油井的井身軌跡對動液面測試的影響，油套環(huán)空中影響動液面測量的因素可以分為兩類，一類是油套環(huán)空通道形狀變化的影響，如：死油帽子、稠油、泡沫油、結(jié)蠟、油管柱變徑和井身軌跡等因素的影響。另一類是噪 音的影響，如：井下潛油電機(jī)轉(zhuǎn)動、抽油桿運動造成機(jī)械振動產(chǎn)生的噪聲的影響等 1 。 環(huán)空中出現(xiàn)的死油對聲波法動液面測試影響嚴(yán)重。由于重力分異，在泵吸入口以上充滿了密度小的原油，當(dāng)環(huán)空中的動液面較高時，動液面距離產(chǎn)出油層位置較遠(yuǎn)，溫度降低，當(dāng)溫度降低到原油的凝固點以下時，原油會凝固，形成一個死油帽子，用聲波法測油井動液面時，這個死油帽子會反射聲波，造成真實的動液面無法辨識。 目前國內(nèi)液位測量系統(tǒng)的生產(chǎn)采用引進(jìn)加仿制的方法來開發(fā)。近些年來，國內(nèi)有許多家公司和科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)推出了自行研發(fā)的動液面測量儀器，其精度也日 2 益 提高。而進(jìn)口的動液面測量系統(tǒng)功能齊全，精度也相對較高，但是其價格比較昂貴，而且維修起來也不是十分方便，對于小型用戶來說并不是理想的選擇，國內(nèi)自行研究生產(chǎn)的液位測量系統(tǒng)價格相對便宜，但精度相對不高，且功能單一。 現(xiàn)在的動液面測量方式一般分為兩類，接觸式測量儀表與非接觸式測量儀表。接觸式測量儀表由于其敏感元件與被測液體直接接觸，而且多數(shù)存在傳動部件，因此在使用過程中，或多或少的存在一些精度較低、維護(hù)開銷大或使用壽命較短的弊病。而非接觸式測量儀表其敏感元件不與被測液體直接接觸，而且一般不存在可動部件，測量精度高且 在使用過程中對維護(hù)的要求比較低，特別是可以適應(yīng)一些相對惡劣的環(huán)境的測量。因此非接觸式的動液面測量系統(tǒng)是動液面測量方面的必然發(fā)展趨勢 2 。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的動液面測量方法均是由人工操作發(fā)聲設(shè)備發(fā)射聲波，通過分析所得回波曲線，確定節(jié)箍波數(shù)目以及液面回波的位置，將其代入計算公式中得到動液面值。顯然，這種測量方法是比較落后的，并且測量誤差大、效率低 3 。 如何能使螺桿泵穩(wěn)定工作？這是國內(nèi)外一些學(xué)者正在研究的問題，而動液面的測量就是研究的一個重要方面，其目的就是要提高采油率。目前，在這方面也取得了一定 的成果。 有幾家公司已經(jīng)做出了自己的產(chǎn)品，包括井崗山儀表廠、江漢石油管理儀表廠等。其中，井崗山儀表廠生產(chǎn)了 ZJY-1 型液面自動監(jiān)測儀以及 CJ 型回聲儀。ZJY-1 型液面自動監(jiān)測儀可用于抽油井環(huán)形空間液面和套壓，按一定的時間間隔程序進(jìn)行定時自動監(jiān)測，為抽油井進(jìn)行不穩(wěn)定試井提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其液面測深范圍為 10 2000m，該測量系統(tǒng)體積大，比較重。 CJ 型系列產(chǎn)品有： CJ-1 型、 CJ-2型、 CJ-3 型三種。 CJ-1 型與 CJ-2 型只是一處儀表（井口裝置即聲響發(fā)生器）不同而已， CJ-1 型配備聲彈擊發(fā)式， CJ-2 型配備 氣槍式；而 CJ-3 型的儀表小型化，儀表結(jié)構(gòu)與 CJ-1 型不同而原理相同。 CJ-1 型的最大測井深度為 3000m， CJ-2 型和CJ-3 型的最大測井深度為 2500m。此系列產(chǎn)品是以美國生產(chǎn)的 D-6B2 型回聲儀為樣機(jī)仿制而成，其結(jié)構(gòu)原理、功能及操作方法等與 D-6B2 型回聲儀相同。這類產(chǎn)品由記錄筆記錄節(jié)箍波及液面波，不能直接顯示液位值。江漢石油管理儀表廠推出 SH3 型回聲儀，其可測量深度為 1500 2000m。該產(chǎn)品采用聲彈發(fā)生裝置，由記錄儀和井口裝置組成，通過記錄曲線上的節(jié)箍波數(shù)目計算液位深度，自動化程度低，誤差大。 國內(nèi)生產(chǎn)的這些產(chǎn)品價格相對國外要低，但都存在自身的缺點，測量精度不如進(jìn)口設(shè)備，且不能實現(xiàn)閉環(huán)控制 4 。 國外生產(chǎn)的動液面測量系統(tǒng)與國內(nèi)相比，技術(shù)比較成熟，誤差小，但是價格偏高且不便于維修。 3 1.3 研究內(nèi)容 （ 1）動液面測試系統(tǒng)總體方案研究與設(shè)計。根據(jù)目前國內(nèi)油田使用的動液面測試系統(tǒng)存在的缺點進(jìn)行分析，提出總體的設(shè)計方案。 （ 2）動液面測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計。選擇型號為 STC89C52 的單片機(jī)為電路的核心，硬件電路包括電源電路、信號輸入和濾波電路、 CPU、數(shù)碼管顯示模塊以及 TTL 轉(zhuǎn) RS232 電路等， 主要實現(xiàn)聲波發(fā)射、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、界面顯示及遠(yuǎn)程通訊等功能。 （ 3）動液面測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計。設(shè)計軟件整體框架，存儲油井測量數(shù)據(jù)。采用數(shù)碼管顯示結(jié)果，通過判定所得動液面值的異常情況，選擇合理的工作制度，實現(xiàn)閉環(huán)控制。按照設(shè)計思路完成程序的編寫。 （ 4）通過采樣數(shù)據(jù)驗證數(shù)據(jù)處理程序的可行性。 4 第 2章 動液面測量基礎(chǔ) 2.1 液位測量方法 液位屬于物位中的一種，是指密封容器（池子）或開口容器（池子）中液位的高低。液位測量就是通過檢測液面兩側(cè)物質(zhì)的特有性質(zhì)，或者 是一些相同的物理參數(shù)（例如電阻、電容、電感、差壓以及聲速和光能等）在液面兩側(cè)所發(fā)生的變化，從而確定液位的方法。在現(xiàn)實生活中，測量液位是比較常見的。針對不同情況和用途，僅傳統(tǒng)的液位測量方法就有 20 多種。從大類上可將其歸為兩類，即連續(xù)測量和位式測量。在石油行業(yè)一般使用連續(xù)測量 5 。 2.1.1 動液面測量方法 油田上用于動液面測量的方法主要有浮筒法、壓力計探測法和回聲法三種。 浮筒法利用浮筒測量動液面深度，因其受到自身重量和體積的限制，只適合在環(huán)空井和敞開井中使用。浮筒法操作簡單、方便，但在測量時井中的環(huán) 形空間不能有壓力。壓力計測量法通過壓力數(shù)據(jù)計算動液面值，在所有油井中都能夠使用，并且測量結(jié)果比浮筒法準(zhǔn)確。但這種測量方法存在停點選擇的問題，測量工期長，操作比較麻煩且對操作人員的技術(shù)水平要求很高?；芈暦y量液面操作簡單、方便，成本較低，且不需要把測量儀器放到油井中，適合抽油井在不停產(chǎn)的情況下進(jìn)行測量。因此，本課題選用回聲法測量動液面深度 6 。 2.1.2 聲波 聲波在氣體介質(zhì)傳播過程中，遇到障礙物會發(fā)生反射，檢測出聲波在介質(zhì)中的傳播速度，以及反射波從障礙物處到聲源處所經(jīng)過的時間，便可計算出聲源和障礙物間的 距離。這就是液位測量中回聲法的測量原理 7 。 按照不同頻率可將聲波分為次聲波（ 020Hz）、音頻信號（ 2020KHz）、超聲波（ 20KHz1GHz）、甚超聲波（ 1GHz10THz）。 超聲波在傳播過程中衰減較小，遇障礙物時發(fā)生反射的信號較強(qiáng)，且發(fā)射和接收設(shè)備簡單，因而不斷應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如軍事、醫(yī)療、容器、儲油罐等。目前，超聲波技術(shù)發(fā)展迅速，超聲波不僅能夠?qū)崿F(xiàn)定點和連續(xù)液位測量 ,而且提供遙測或遙控所需信號很方便。但傳播介質(zhì)的物理性質(zhì)（濃度、溫度、壓力等）會影響超聲波的傳播速度。因此，如果是短距離測 量（ 100 米以內(nèi)），可用超聲波信 5 號源，但在這個測量范圍外便很難檢測到回波。油井動液面值均大于超聲波的可測量距離，此外，油井井況非常復(fù)雜，故超聲波液位系統(tǒng)不適合油井動液面的測量。 與一般的聲波、光波和無線電波等相比較，次聲波的傳播距離要遠(yuǎn)得多。例如，當(dāng)次聲波的頻率小于 1Hz 時，其傳播距離可達(dá)到幾千至上萬千米。次聲波的穿透力很強(qiáng)，不管是大氣、海水、土壤，還是堅固的鋼筋水泥建筑物，都不能阻擋其通過?？梢?，次聲波具有傳播遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)的特點。次聲波的在介質(zhì)中的傳播速度與音頻信號相同，不同之處在于次聲波頻率較音頻信 號低，只有極少一部分被介質(zhì)吸收，即便在復(fù)雜的油井井況中，次聲波的衰減也是較弱的?；谝陨系奶攸c，次聲波適合用于油井動液面測量 8 。 2.2 數(shù)字儀表 隨著電測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，對測量設(shè)備和測量技術(shù)也提出了新要求，數(shù)字化測量就是近 20 多年來發(fā)展起來的新技術(shù)。利用數(shù)字化技術(shù)不僅可以對各種參數(shù)進(jìn)行測量，而且可以通過接口技術(shù)與計算機(jī)配合實現(xiàn)自動化測量和生產(chǎn)過程的自動控制，數(shù)字測量儀表的應(yīng)用也越來越廣泛。 數(shù)字化測量技術(shù)的基本內(nèi)容是指連續(xù)的被測物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的量子化了的斷續(xù)量，即將模擬量自 動的轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后予以數(shù)字編碼，進(jìn)行傳輸、存儲、顯示、打?。从脙x器儀表以數(shù)字形式顯示和打印測量結(jié)果）。 各種物理量從理論上都存在著這種處理的可能性，但最方便、最直接、最容易實現(xiàn)的還是電量，即直流電壓和頻率，易于實現(xiàn)數(shù)字化。其它物理量則可通過中間手段，如傳感技術(shù)、轉(zhuǎn)換技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為直流電壓和頻率后再對其進(jìn)行數(shù)字化測量。 相對于其它儀表，數(shù)字化測量儀表具有測量精度高、速度快、讀數(shù)方便，并可以實現(xiàn)自動化測量和將測量結(jié)果以數(shù)碼形式進(jìn)行傳輸?shù)忍攸c。隨著計算機(jī)的發(fā)展，利用 GPIB 或 RS-232C 等通用接口，數(shù)字化 測量儀表已實現(xiàn)自動化、程序化。 由于微處理器的普遍應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)字測量儀表已經(jīng)從技術(shù)和應(yīng)用上完成了它的普及階段，正向新的階段發(fā)展，其發(fā)展趨勢有以下幾個方面： （ 1）向精密測量領(lǐng)域發(fā)展并實現(xiàn)程控操作。 裝有微處理器的測量裝置，具有高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，這是精密測量領(lǐng)域所期望的。同時，測量過程編排、功能和量程的選擇、測量結(jié)果的顯示均可通過鍵盤及 LCD 實現(xiàn)。 （ 2）可實現(xiàn)動態(tài)測量。 在測量過程中，它可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出被測動態(tài)過程的各個參數(shù)值，動態(tài)測量在電測領(lǐng)域中正在高速發(fā)展。 6 （ 3）數(shù)字化測量技術(shù)與計算機(jī)配合 可以構(gòu)成十分復(fù)雜的數(shù)字化自動測試系統(tǒng)。 2.3 動液面測量系統(tǒng)及研究內(nèi)容 2.3.1 油井動液面的測量系統(tǒng) 動態(tài)液面測量系統(tǒng)主要由 3 個部分組成，分別是聲波發(fā)生裝置、聲波接收器和波形處理裝置等。圖 2-1 所示為油井動液面測量示意圖。 圖 2-1 油井動液面測量示意圖 由圖 2-1 可見，兩根管段間由油管節(jié)箍連接在一起，每根管段長度一定且為已知，整根油管由上百根管段連接而成。測量時，控制聲波發(fā)聲裝置發(fā)射聲波，產(chǎn)生一個起始脈沖。聲波通過油管與套管間空氣介質(zhì)向井下傳播，在傳播過程中，每遇到一個油管節(jié)箍就會反射一個回波 ，組成節(jié)箍波信號。由于兩個油管節(jié)箍間距基本相等，則所得的節(jié)箍波信號是一個周期信號，且每個周期范圍內(nèi)，節(jié)箍波信號的幅度最大且只有一個。當(dāng)聲波到達(dá)液面時，節(jié)箍波信號已經(jīng)衰減為很小，此時接收到的一個較強(qiáng)的回波就是液面回波信號。由于傳統(tǒng)的測量方法存在自動化程度低、效率低及工作量大等缺點，現(xiàn)在動液面測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：采用微處理器（單片機(jī)）控制發(fā)聲裝置發(fā)射聲波，由傳聲器接收回波信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大濾波、采樣、 A/D 轉(zhuǎn)換及信號處理后直接的得到動液面值，達(dá)到自動測量油井動液面值的目的 9 。 7 2.3.2 計算方法 動液面測試的設(shè)備種類較多，常用的有聲彈型，氮氣型井口連接器，并配合相應(yīng)的綜合測試儀，單井的動液面數(shù)據(jù)一般按旬或月度來測試獲取。動液面的計算方法，常用的有 .音標(biāo)比較法與節(jié)箍法。 1.音標(biāo)比較法 在油管下部某一節(jié)箍上加裝一個音標(biāo)（一般遮住油套環(huán)空的 50% 70%），聲波遇到音標(biāo)產(chǎn)生反射脈沖，音標(biāo)的深度已知。深度 112 / LHLH ， H 是井口至液面深度， 1H 是井口至音標(biāo)深度， 1L 是記錄曲線上聲波至音標(biāo)長度， 2L 是記錄曲線上聲波至液面波長度，各單位均是毫米。 2.節(jié)箍法 此方法的最大特點就是放大器分為高頻放大和低頻放大兩部分，高頻放大部分用來記錄有關(guān)節(jié)箍的反射波，低頻部分用來記錄動液面的反射波，液面深度nn LHLH /2， H 是井口至液面深度，nH是井口第 n 根油管的累積長度（施工資料查得），nL是記錄紙上聲波至 n 個油管接箍波長度， 2L 記錄紙上聲波至液面波長度，各單位均是毫米。 2.3.3 測量設(shè)備 人們在早些時期 測試油井液面，全部采用聲彈型液面測試裝置，進(jìn)行液面測試工作?？紤]到采用 聲彈型液面測試裝置有一定危險性，開始引進(jìn)氮氣液面測試裝置，動液面測試工作逐步由聲彈型向氮氣型轉(zhuǎn)化。 而隨著油田開發(fā)工作的不斷廣泛深入，健康、安全、環(huán)保的理念被人們認(rèn)同和接受，越來越多的新技術(shù)，新設(shè)備也被引進(jìn)到油田工作當(dāng)中，針對在實際工作當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的，有的井套管氣比較豐富的情況，受到氮氣測試設(shè)備的啟發(fā)，一種全新的液面測試發(fā)聲裝置也應(yīng)運而生，并漸漸取代傳統(tǒng)的測量裝置 1、聲彈發(fā)聲裝置 聲彈發(fā) 聲 裝置是使用最普遍，最廣泛，同時也是應(yīng)用時間最長的一種測試液面的發(fā)聲裝置，基本原理是槍擊擊發(fā)聲彈底火，使聲彈內(nèi)部的火藥短時間內(nèi) 迅速反應(yīng)膨脹，產(chǎn)生液面測試所需聲波。 安全性 來說， 聲彈型發(fā)聲裝置的聲彈屬軍控易爆物質(zhì)，在購置、運輸和儲存上手續(xù)繁瑣，存在一定的安全隱患，對于一些套管氣體壓力高的油井，底火在激發(fā)時，易產(chǎn)生火花，引起安全事故，出于安全考慮，從 2010 年 6 月開始已經(jīng)逐步停止使用。 8 實用性來說 聲彈型發(fā)聲裝置在擊發(fā)瞬間產(chǎn)生的能量較大，聲波的頻譜分布廣，因沖破聲彈折痕，損失能量較大，且易產(chǎn)生雜波，故對測試的深度有一定的影響。 2、 氮氣發(fā)聲裝置 氮氣發(fā)聲裝置在發(fā)生原料上和聲彈不同，采用化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的惰性氣體氮氣，基本原理是通過對拉 環(huán)的控制，實現(xiàn)氣包內(nèi)較高壓力的氮氣向井筒內(nèi)的釋放，產(chǎn)生動液面測量所需要的聲波。 安全性來說， 氮氣型發(fā)生裝置采用的氮氣，在放氣發(fā)聲的瞬間，無火星產(chǎn)生，提高了安全性。 實用性來說， 氮氣型發(fā)聲裝置依靠壓縮包內(nèi)的氮氣作為發(fā)生源，與聲彈的頻譜范圍相似。釋放能量較大，能在一些較深井，含氣量太大、太小井，斜井等復(fù)雜井況中使用，液面效果測試良好，能滿足油田各種井況的測試需要。 3、 新型動液面測試發(fā)聲裝置 新型井口發(fā)生器的想法源于氮氣測試設(shè)備，摒棄了向氣包里充高壓氮氣作為發(fā)聲源的方式，針對三疊系油藏伴生氣豐富的特點，采用一定壓力 的套管氣作為發(fā)聲能量源，在保證密封性的同時，通過對放氣閥的控制實現(xiàn)氣體的釋放，產(chǎn)生液面測試所需要的聲波。產(chǎn)生的聲波頻率較為集中，低頻范圍能量充足，液面發(fā)射波清晰可辨，高頻范圍段聲波的能量相對較小，油管節(jié)箍也能滿足一般計算軟件的計算要求。 安全性來說，由于采用憋有壓力的套管氣作為發(fā)聲源，無需其他附加加壓設(shè)備，體積小，重量輕，不存在運輸、使用和儲存上的安全隱患，排氣的通道適當(dāng)修改，避免操作時產(chǎn)生的意外傷害，安全性大大高于聲彈和氮氣測井。 實用性來說，用套管氣為能量源，因各個井的實際情況不同，所積累的能量也不同， 但是其將有效的能量是放在了對液面和節(jié)箍反射波上，且含有的干擾雜波小。準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好、基本滿足目前油田現(xiàn)有井況測試要求 10 。 2.4 超聲波測距模擬動液面檢測系統(tǒng) 下圖是超聲波的測距原理： 圖 2-3聲波測距原理 9 本文用超聲波測距模擬動液面檢測系統(tǒng)，下面是該檢測系統(tǒng)框圖： 圖 2-2 聲波測距儀原理框圖 本系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制的聲波測距儀，先由單片機(jī)產(chǎn)生一個 40KHZ 信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，經(jīng)放大后再由聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時間為 t。聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： S=Pvt/2 2.5 本章小結(jié) 簡單介紹了動液面的測量方法。油田上用于動液面測量的方法主要有浮筒法、壓力計探測法和回聲法。然后介紹了聲波的分類及其在動液面檢測系統(tǒng)中的使用，還有數(shù)字儀表的發(fā)展和應(yīng)用 。最后重點介紹了動液面測量系統(tǒng)及研究內(nèi)容并繪制出檢測系統(tǒng)框圖。 聲波發(fā)射器 放大電路 聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機(jī) 控制 顯示器 10 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 控制器模塊設(shè)計 在 動液面監(jiān)測系統(tǒng) 的設(shè)計中，單片機(jī)是其核心部件。單片機(jī)一方面要接收來自傳感器送來的感應(yīng)信號和故障檢測信號，另一方面要對不同信號分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作。如今市面上比較普遍的單片機(jī)主要是 89C52 系列。89C52 單片機(jī)應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，編程靈活，控制簡單，很適合我們所要制作的 動液面監(jiān)測系統(tǒng) 11 。 3.1.1 單片機(jī)概述 單片機(jī)誕生于加世紀(jì) 70 年代，像 Fairchild 公司研制的 F8 單片微型計算機(jī)。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元 （ Center Processing Unit，也即常稱的 CPU）和數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM），程序存儲器 （ ROM） 及其他 I/O 通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個最小的計算機(jī)系統(tǒng)，而現(xiàn)代的單片機(jī)則加上了中斷單元，定時單元及 A/D 轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路，使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛。 20 世紀(jì) 70 年代，微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段，集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機(jī)仍處在初級的發(fā)展階段，元件集成 規(guī)模還比較小，功能比較簡單，一般均把 CPU、 RAM 有的還包括了一些簡單的 I/O 口集成到芯片上，像 Fairchild 公司就屬于這一類型，它還需配上外圍的其他處理電路方才構(gòu)成完整的計算系統(tǒng)。類似的單片機(jī)還有 Zilog 公司的 Z80 微處理器 12 。 1982 年以后， 16 位單片機(jī)問世，代表產(chǎn)品是創(chuàng) INTEL 公司的 STC-96 系列，16 位單片機(jī)比起 8 位機(jī)，數(shù)據(jù)寬度增加了一倍，實時處理能力更強(qiáng)，主頻更高，集成度達(dá)到了 12 萬只晶體管， RAM 增加到了 232 字節(jié)， ROM 則達(dá)到了 8KB，并且有 8 個中斷源，同時配置了多路的 A/D 轉(zhuǎn)換通道，高速的 I/O 處理單元，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 九十年代以后，單片機(jī)獲得了飛速的發(fā)展，世界各大半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了功能更為強(qiáng)大的單片機(jī)。美國 Microchip 公司發(fā)布了一種完全不兼容 STC-51 的新一代 PIC 系列單片機(jī)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別它的產(chǎn)品只有 33 條精簡指令集吸引了不少用戶，使人們從 INTEL 的 111 條復(fù)雜指令集中走出來。 PIC 單片機(jī)獲得了快速的發(fā)展，在業(yè)界中占有一席之地。 11 1990 年美國 INTEL 公司推出了 80960 超級 32 位單片機(jī)引起了計算機(jī)界的轟動，產(chǎn)品相繼投放市場，成為單片機(jī) 發(fā)展史上又一個重要的里程碑。 此期間，單片機(jī)園地里，單片機(jī)品種異彩紛呈，爭奇斗艷。有 8 位、 16 位甚至 32 位機(jī)，但 8 位單片機(jī)仍以它的價格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點而占著主導(dǎo)地位。而 INTEL 公司憑著他們雄厚的技術(shù)，性能優(yōu)秀的機(jī)型和良好的基礎(chǔ)，目前仍是單片機(jī)的主流產(chǎn)品。只不過是九十年代中期， INTEL 公司忙著開發(fā)他們個人電腦微處理器，已沒有足夠的精力繼續(xù)發(fā)展自己創(chuàng)導(dǎo)的單片機(jī)技術(shù)，而由 PHILIPS 等公司繼續(xù)發(fā)展 C5l 系列單片機(jī)。單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù) 處理能力 （ 如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 ） 的微處理器 （ CPU） ，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM） ，只讀程序存儲器 （ ROM） ，輸入輸出電路 （ I/O） ，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口 （ SCI） ，顯示驅(qū)動電路 （ LCD 或 LED 驅(qū)動電路 ） ，脈寬調(diào)制電路 （ PWM） ，模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小然而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。 由此來看，單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控 制功能，這是單片機(jī)最大的特征。 單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制統(tǒng)，可以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛 13 。 單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選 擇。 誠然，單片機(jī)的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。 3.1.2 STC89C52單片機(jī) 在 動液面監(jiān)測系統(tǒng) 的設(shè)計中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來自傳感器送來的模擬信號，另一方面要對信號進(jìn)行處理，以控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。在單片機(jī)完成這些工作的過程中，尤其是信號處理中，計算后送入顯示的軟件實現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運算速度，使檢測人員能夠較準(zhǔn)確地觀 測到液位數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。并且也要考慮選擇低價實用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根 12 據(jù)多方面的比較，本設(shè)計選用 ATMEL 公司的 STC89C52 單片機(jī)作為控制器。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 14 。 圖 3-1 STC89C52引腳圖 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時鐘電路 。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 15 。 3.1.3復(fù)位電路 VCC 上電時， 電容 充電，在 10K 電阻上出現(xiàn)電壓， 使得單片機(jī)復(fù)位；幾個毫秒后， 電容電壓 充滿， 10K 電阻上電流降為 0，電壓也為 0，使得單片機(jī) 進(jìn)入工作狀態(tài) 。工作期間，按下 S22， 電容 放電。 S 松手， 電容 又充電，在 10K 電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 13 圖 3-2手自一體復(fù)位電路 復(fù)位電路的目的就是在上電的瞬間提供一個與正常工作狀態(tài)下相反的電平。一般利用電容電壓不能突變的原理，將電容與電阻串聯(lián)，上 電時刻，電容沒有充電，兩端電壓為零，此時，提供復(fù)位脈沖，電源不斷的給電容充電，直至電容兩端電壓為電源電壓，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此設(shè)計中所采用的為手自一體復(fù)位電路。 3.1.4晶振電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，通常在引腳 XTAL1和 XTAL2 跨接石英晶體和兩個補償電容構(gòu)成自激振蕩器，可以根據(jù)情況選擇 6M，12M,24M 等頻率的石英晶體，補償電容通常選擇 30PF 左右的瓷片電容。 本系統(tǒng)所設(shè)計的晶振電路為一個 11.0592MHZ 的晶振和兩個 30PF 的電容組成。作用是給單片機(jī)輸入時鐘信號 。 圖 3-3 晶振電路 3.1.5上電指示電路 外部分電源上電后，發(fā)光二極管 D13 被點亮，以指示控制系統(tǒng)外部供電正常。 14 圖 3-4上電指示電路 3.2 顯示模塊設(shè)計 動液面監(jiān)測系統(tǒng) 需要實現(xiàn)對距離的實時監(jiān)測，故需要顯示模塊來顯示距離的大小。采用 LED 數(shù)碼管顯示模塊可以實時清楚的顯示距離變量。 3.2.1 LED數(shù)碼管介紹 LED 數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是 8 個。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我 們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個 “2”字，那么應(yīng)當(dāng)是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。 LED 數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、 1 寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為 1.8V 左右，電流不超過 30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用 LED 數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是 0、 1、 2、 3、4、 5、 6、 7、 8、 9、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 圖 3-5 這是一個 7段兩位帶小數(shù)點 10引腳的 LED數(shù)碼管 15 圖 3-6 引腳定義 每一筆劃都是對應(yīng)一個字母表示， DP 是小數(shù)點 。 3.2.2 LED數(shù)碼管的 驅(qū)動方法 LED 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù) LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 A、靜態(tài)顯示驅(qū)動： 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的 I/O 口 行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼十進(jìn)位器進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的 優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 口 多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40 根 I/O 口來驅(qū)動，要知道一個 89C51 單片機(jī)可用的 I/O 口才 32 個呢。故實際應(yīng)用時必須增加驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬體電路的復(fù)雜性。 B、動態(tài)顯示驅(qū)動： 數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有 數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位元選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 透過分時輪流控制各個 LED 數(shù)碼管的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯 示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 口，而且功耗更低。 16 圖 3-7 數(shù)碼管溫度顯示 圖 3-8 74HC753鎖存器 3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 經(jīng)超聲波傳感器所檢測的電壓信號為模擬信號，無法直接被單片機(jī)所識別，所以在經(jīng)過放大電路后對信號進(jìn)行 A/D裝換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)。 ADC0832為 8位分辨率 A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗 ，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 17 圖 3-9 A/D轉(zhuǎn)換電路 圖 3-10 ADC0832芯片 芯片接口說明： CS_ 片選使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用。 CH1 模擬輸