鉆井泵沖數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量方法研究

1、    鉆井泵沖數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量方法研究摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte摘  要：針對(duì)目前鉆井泵的沖數(shù)測(cè)量方法中測(cè)量周期長(zhǎng)、無(wú)法及時(shí)掌控工況的問(wèn)題，提出

2、了一種通過(guò)測(cè)量鉆井泵沖數(shù)的脈沖周期變化實(shí)現(xiàn)鉆井泵沖數(shù)檢測(cè)的方法，利用單片機(jī)及C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。該方法可迅速反應(yīng)出沖數(shù)的變化情況，使現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)掌握鉆井泵的工作情況，提高了鉆井工程的安全性。關(guān)鍵詞：鉆井泵；沖數(shù)；周期測(cè)量；單片機(jī)；C語(yǔ)言    鉆井泵是石油鉆機(jī)的三大工作機(jī)組之一，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備1。鉆井泵沖數(shù)的變化能夠及時(shí)反映鉆井工程的鉆進(jìn)情況，如果鉆井泵出現(xiàn)超壓力或超負(fù)載工作時(shí)，將直接通過(guò)沖數(shù)變化反映出來(lái)，鉆井泵沖數(shù)的測(cè)量在鉆井多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是必須記錄的參數(shù)之一。    當(dāng)前常用的沖數(shù)測(cè)量方法是通過(guò)接近開關(guān)檢

3、測(cè)動(dòng)力端輸入軸的轉(zhuǎn)速，再除以鉆井泵的減速比，便可得到實(shí)際的沖數(shù)，由于現(xiàn)有計(jì)量方法采用的是單位時(shí)間內(nèi)接近開關(guān)的脈沖數(shù)，如果測(cè)量時(shí)間太短(如1 s)，則計(jì)算出來(lái)的沖數(shù)與實(shí)際沖數(shù)相差較大，故測(cè)量時(shí)間一般選得較長(zhǎng)(如5 s)，沖數(shù)測(cè)量較準(zhǔn)確但無(wú)法及時(shí)反應(yīng)鉆井泵沖數(shù)改變，不利于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井工程的鉆進(jìn)情況及時(shí)掌握。    采用單片機(jī)測(cè)量鉆井泵脈沖周期的方法，可以使鉆井泵的沖數(shù)測(cè)量在一個(gè)周期內(nèi)便能實(shí)現(xiàn)測(cè)量,提高了鉆井泵沖數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。1 測(cè)量原理    采用周期測(cè)量的方法在鉆井泵的動(dòng)力輸入軸圓周上布置1片磁鋼，再安裝一只霍耳傳感器檢測(cè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鋼

4、，當(dāng)磁鋼通過(guò)霍耳傳感器時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，如圖1(a)所示。圖1(b)所示是單片機(jī)晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖，在晶體頻率選定的情況下，其時(shí)鐘周期的時(shí)間確定不變，通過(guò)計(jì)量動(dòng)力端轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的兩脈沖周期下降沿間的時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù)，便可測(cè)量出轉(zhuǎn)速。兩脈沖之間的關(guān)系與圖1中一致：tn=Nn×t0，式中，Nn為霍耳傳感器檢測(cè)到磁鋼一周內(nèi)的計(jì)數(shù)值，通過(guò)計(jì)算可以算出一周的周期，泵沖計(jì)算公式為: 式中i為鉆井泵的傳動(dòng)比，tn為一周的時(shí)間。    該方法測(cè)量出的轉(zhuǎn)速變化只是在動(dòng)力端轉(zhuǎn)動(dòng)一周便能反應(yīng)出轉(zhuǎn)速的變化，如果增加動(dòng)力端輸入軸上磁鋼的數(shù)量，還能夠更快地反應(yīng)沖數(shù)的變

5、化情況。    單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器工作原理如圖2所示，51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2有三種工作模式：捕獲、自動(dòng)重新裝載（遞增或遞減計(jì)數(shù)）和波特率發(fā)生器2。自動(dòng)新裝載模式用于正反向計(jì)數(shù)時(shí)遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)，波特率發(fā)生器用于串行通信。周期測(cè)量采用捕獲方式來(lái)準(zhǔn)確獲取每個(gè)周期的準(zhǔn)確時(shí)間。該方式使用內(nèi)部的時(shí)鐘周期來(lái)測(cè)量外部脈沖的周期3，如圖2所示，當(dāng)C/T2=0時(shí)，使用內(nèi)部晶體通過(guò)分頻器來(lái)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，TR2=1時(shí)，將自動(dòng)對(duì)OSC來(lái)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)EXEN2=1時(shí)，且T2EX引腳上出現(xiàn)負(fù)跳變而引起捕獲或重裝時(shí)置位3，這樣，T2EX上的負(fù)跳變就可以用于硬件計(jì)數(shù)器T2的同步

6、控制信號(hào)，在負(fù)跳變同步控制信號(hào)作用下，將TL2和TH2中的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值就傳送到了RCAP2L和RCAP2H中，讀取RCAP2中的值將能夠得到脈沖下降沿的計(jì)數(shù)值。由于讀取的是RCAP2中的計(jì)數(shù)值，因此將不會(huì)受TL2和TH2寄存器中值的變化而使讀出的數(shù)據(jù)差異較大。    由于單片機(jī)的OSC是確定的，如果選擇OSC的晶體為12 MHz，經(jīng)12分頻后，送到定時(shí)器中的脈沖頻率為1 MHz，其周期為1 s，式(1)中的t0=1 s。    鉆井泵的額定沖數(shù)為120沖，實(shí)驗(yàn)中鉆井泵的減速比為4.16：1，其動(dòng)力端的轉(zhuǎn)速約為500 r/min，霍耳傳感

7、器檢測(cè)到的脈沖周期約為0.12 s，每個(gè)周期的T2的計(jì)數(shù)值約為120 000個(gè)，計(jì)數(shù)周期的誤差為±1個(gè)脈沖，相應(yīng)的計(jì)時(shí)誤差最大為2 s，其計(jì)數(shù)誤差所引起的轉(zhuǎn)速變化可以忽略不計(jì)。2 脈沖測(cè)量硬件電路    脈沖測(cè)量硬件電路如圖3所示，霍耳傳感器H1為NPN型，其“+”接24 V電源，“-”接GND地，“輸出”接發(fā)光二極管L1，TL521光電耦合器與單片機(jī)的P1.1/T2EX腳相連。發(fā)光二極管L1作為霍耳傳感器脈沖信號(hào)的指示燈，當(dāng)磁鋼片通過(guò)霍耳傳感器檢測(cè)端時(shí)，霍耳傳感器便輸出低電平，發(fā)光二極管L1點(diǎn)亮，P1.1/T2EX腳也由低電平變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)磁鋼通過(guò)霍耳

8、傳感器后，其輸出信號(hào)斷開，發(fā)光二極管L1熄滅，在P1.1/T2EX上則為低電平，在該腳上的波形如圖1(a)所示。通過(guò)檢測(cè)P11上的脈沖信號(hào)的周期，便能測(cè)量出鉆井泵的沖數(shù)，由于動(dòng)力端每轉(zhuǎn)1周將在P11上產(chǎn)生1個(gè)脈沖周期，在采集到一個(gè)脈沖周期時(shí)，便可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速通過(guò)8字LED顯示出來(lái)，還通過(guò)RS485通信接入鉆井多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。3 軟件設(shè)計(jì)軟件采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行開發(fā)，由于C語(yǔ)言具有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高等優(yōu)點(diǎn)，提高了軟件的開發(fā)速度。    單片機(jī)中斷程序流程圖如圖所示，在軟件編寫過(guò)程中，采用了定時(shí)/計(jì)數(shù)器2測(cè)量主軸脈沖周期的變

9、化。由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2為16 bit，其最大計(jì)數(shù)值為65 535，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值超過(guò)65 535時(shí)，這將使定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2在計(jì)數(shù)中產(chǎn)生溢出中斷，標(biāo)志位TF2置1，由軟件清除。在測(cè)量中，檢測(cè)TF2置位時(shí)計(jì)數(shù)值n+1，當(dāng)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，讀取RCAP2中的計(jì)數(shù)值，脈沖數(shù)的值應(yīng)該為：n×65 536+RACP2H×256+RACP2L。顯示屏的刷新時(shí)間為1 s，只要鉆井泵沖數(shù)在大于15沖/min的情況下，均能夠?qū)崿F(xiàn)每秒鐘刷新一次轉(zhuǎn)速的變化情況。鉆井泵的工作沖數(shù)一般在90沖/min130沖/min，完全能夠滿足其沖數(shù)測(cè)量要求，通過(guò)RS485通信，可以更快速地檢測(cè)到轉(zhuǎn)速的變化情況。&

10、#160;   定時(shí)/計(jì)數(shù)器2周期測(cè)量的初始化程序如下：    void initT2(void)          T2CON=0x0D;    /初始化定時(shí)器2      T2MOD=0x00;    /設(shè)置為加計(jì)數(shù)      TH2=0;         

11、0;  /TH賦初值      TL2=0;      ET2=1;            /T2中斷允許      EA=1;            /打開中斷        中斷程序如下：    

12、void timer2() interrupt 5             unsigned long ts;        unsigned char n;        TH2=0;        TL2=0;        EXF2=0; &#

13、160;      /軟件清除外部標(biāo)志        if(TF2=0)    /計(jì)數(shù)器未溢出,計(jì)算周期的時(shí)間長(zhǎng)度                  ts=65 536×n+RCAP2H×256+RCAP2L;/沖數(shù)的脈沖周期的計(jì)數(shù)值，如果時(shí)鐘為12 MHz,該值除以1 000 000，便為時(shí)間值秒,沖數(shù)則為時(shí)間的倒數(shù)

14、。          n=0;                else    /計(jì)數(shù)器溢出                  n+;          TF2=0; &#

15、160;              采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2實(shí)現(xiàn)變周期方式來(lái)測(cè)量鉆井泵沖數(shù)的方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國(guó)二重集團(tuán)公司的鉆井泵性能測(cè)試平臺(tái)上，沖數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確可靠，能夠及時(shí)反映出鉆井泵的沖數(shù)的變化，提高了鉆井泵的工作性能。采用變周期法測(cè)量轉(zhuǎn)速，可以及時(shí)檢測(cè)到鉆井泵沖數(shù)的變化，測(cè)量周期短。應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場(chǎng)，可及時(shí)反映出鉆井過(guò)程中鉆進(jìn)工況的變化情況，提高了鉆井工程的安全性。參考文獻(xiàn)1 周明高，李相方，隋秀香，等鉆井泵工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新方法J中國(guó)海上油氣(工程)，2002(10)：25-27.2 宏晶公司STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)M.2009：67-77.3 馬