光纤光栅传感网络下气井参数测控系统设计

发布时间：2020-08-18 08:33

【摘要】：在油气生产过程中,大量使用了压力、温度传感器,与这些常规传感器相比,光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小、一次安装永久性测量、可实现分布式测量等优点,光纤光栅传感器成为一种新兴技术特别适用于石油生产过程。并且使用复用技术构成光纤光栅传感网络,可以同时实现井层温度、压力的多点实时测量,为解决石油生产过程中的井下传感技术屏障具有一定的实际意义。本文以光纤光栅的应用为背景,从光纤光栅的基本理论和性质出发,主要对光纤光栅传感技术的特点、应用发展进行了相应的阐述,论证了光纤光栅传感系统研究的重要意义。详细阐述了基于反射式光纤光栅传感技术的基本原理,给出目前针对其测量过程中温度、压力交叉敏感性问题所采取的解决方法,对传感网络中的几种复用技术和几种常用的光纤光栅传感解调技术进行介绍,分析对比了三种解调方法的优缺点,总结出了光纤光栅传感技术在油气生产过程中将会发挥越来越大的作用。另外在油气生产中,随着当前互联网技术的发展,结合光纤光栅传感技术、自动控制技术,为实现远程监测和控制,同时为提高气举采油的采收率和降低生产成本,需要对井口注气流量进行控制,本文设计了以STM32微控制器为控制核心的气体流量控制系统。文中详细介绍了流量控制的原理与特性,对系统中的核心电路进行了设计和全面的介绍分析。通过使用增量式PID的控制方法来控制电动阀的开度,以达到控制流量的目的,并通过具体实验数据的分析说明流量控制的可行性。微控制器通过AT指令驱动ESP8266 WIFI模块,使单口井监控终端与上位机之间形成局域网络,实现终端与上位机的通信。使用VS软件和C#语言进行上位机软件的编写,对系统的网络通信进行了设计。通过数据库的使用,对测量的一些参数的数据进行存储,对数据处理,按照时间先后生成生产报表。通过选择上位机中的曲线绘制,可对指定的参数的信息进行曲线显示,可以更加直观的分析其一段时间内的变化趋势。文中分析了光纤光栅传感技术在油气生产中的应用情况,结合气举采油技术,设计了基于井下光纤光栅传感技术和井口气体流量控制技术的测控网络,旨在监测气举采油的详细生产过程参数,为推动气举采油提供技术参考。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TE93
【图文】：

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图 1 光纤光栅传感原理Figure 1 Fiber Bragg Grating Principle of Sensing如图 2 所示，在反射式传感过程中，光源发出的光波信号直接或者经过传输通道由连接器（3dB 耦合器）进入传感光栅，传感光栅在应变和温度等外界静态、准静态或时变的作用下，将光波进行调制；然后，光纤光栅将光波调制成带有外场信息的光信号反射回来，再由耦合器进入接收通道而被探测器接收解调并输出相关信息。因为包含了外场作用的信息光谱被探测器所接收，所以对探测器检测出的光谱进行分析，就能够获取环境信息。基于反射式的传感系统由于仅用一根光纤就能获得传感信息，无须回路，并且可实现时分复用和波分复用，具有安装方便、测量稳定可靠的优势。光源耦合器光纤光栅

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32 位 ARMCortex-M4 内核和高级模拟外设，使得微处理器具有较高的灵活性。该系列处理器通过整合快速 12 位 5 MSPS 和精密 16 位 sigma-deltaADC、12 位 D/A转换器、4 个 USART 接口、3 个 IIC 接口、3 个 SPI 接口、可编程增益放大器（4档增益、精确度为 1%）、快速 50 ns 比较器和工作频率为 144 MHz 的多功能时钟控制单元实现了嵌入式 DSC 设计创新，从而实现了最佳集成。STM32 最小系统原理图如图 15 所示。

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3.4.2 电压型信号采集与处理电路为了便于在实验室的调试与实验，在实验过程中选用的压力传感器的测量范围0-2.5MPa，传感器输出 0-10V 直流电压。由于 STM32 内部 AD 采集的参考电压为3.3V，当输入压力过大，即传感器输出超过 3.3V 直流电压时，AD 模块不能正常工作。为了解决这一问题，在压力信号采集过程中，利用电阻分压原理，将输入AD 采集的电压范围调整为 0-2.5V 直流电压。信号最后经过电压跟随器与低通滤波后送入 AD 进行采样。如图 16 所示。

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