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一、直讀式電子壓力計技術(shù)需求分析

（一）功能及主要技術(shù)指標要求

直讀式電子壓力計實現(xiàn)井下壓力和溫度參數(shù)的測量，并將測量結(jié)果通過單芯鎧裝電纜實時傳送至地面解碼控制儀，主要技術(shù)指標要求如下所示。

a)壓力測量范圍：（0～30、45、60、80）MPa；壓力測量誤差：0.04%F.S；

b)溫度測量范圍：（-20～+150）℃,測量誤差：±1℃；

c)傳輸距離不小于6000m；通訊誤碼率1.0×10-7。

（二）基本方案及工作原理

直讀式電子壓力計由井下電子壓力計和地面解碼控制儀兩部分組成，其中井下電子壓力計由壓力傳感器、溫度傳感器、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機系統(tǒng)、編碼電路、數(shù)字通訊接口電路和裝載于單片機系統(tǒng)中的相關(guān)工作軟件組成，解碼控制儀由解碼電路、通訊接口電路、通用計算機(油田配置)和相關(guān)工作軟件組成。

工作過程中，井下電子壓力計由地面解碼控制儀通過單芯鎧裝電纜提供能源，溫度和壓力傳感器分別將環(huán)境壓力和溫度轉(zhuǎn)換為電信號輸出，該電信號經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)實時采集和處理，然后按一定周期經(jīng)數(shù)字通訊口輸出。井下電子壓力計和井上解碼控制儀之間通過單芯鎧裝電纜連接，解碼控制儀中通訊接口電路接收井下電子壓力計輸出的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)解碼后輸入計算機中進行實時分析和處理。

2、數(shù)據(jù)傳輸方案選擇

設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊通常有并行通訊和串行通訊兩種方案，并行通訊的缺點是傳輸距離短，通訊信道所占點號多，而串行通訊與之相反。根據(jù)井下電子壓力計與井上解碼控制儀的數(shù)據(jù)傳輸特點，需選擇串行數(shù)據(jù)傳輸方式。

在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分邏輯1和邏輯0，即用正的電壓跳變表示邏輯0，用負的電壓跳變表示邏輯1。

在油田測井中，井下電子壓力計在井下采集大量信息，并傳送給地面解碼控制儀；但井下電子壓力計到地面解碼控制儀這段信道的傳輸距離較長且環(huán)境惡劣，常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化。曼徹斯特編碼方式使得信號以串行脈沖碼的調(diào)制方式在數(shù)據(jù)線上傳輸，和最常用的NRZ碼相比，消除了NRZ碼的直流成分，具有時鐘恢復和更好的抗干擾性能，這使它更適合于從井下到井上的信道傳輸，因而在井下電子壓力計和地面解碼控制儀之間選用曼徹斯特編碼使數(shù)據(jù)傳輸可靠性更高、傳輸距離更遠。

3、曼徹斯特碼編碼軟硬件設(shè)計

每一周期井下電子壓力計需將采集到的壓力和溫度兩個參數(shù)分別進行曼徹斯特編碼方式輸出，井下電子壓力計與地面解碼控制儀之間按如下通訊協(xié)議進行。

a)壓力與溫度均以字為單位進行傳送，先發(fā)送壓力字，后發(fā)送溫度字，一個壓力字和一個溫度字的組合稱為一個消息；

b)每一個字由20位組成，第1～3位為3個起始位，第4～19位為16個數(shù)據(jù)位，第20位為奇偶校驗位；

c)壓力字3個起始位電平為先高后低，溫度字起始位為先低后高，高低電平均各占一位半，壓力字與溫度字校驗位均采用奇校驗；

d)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?.7292kbps（175μs/位），傳輸一個消息共耗時3.5ms。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，井下電子壓力計同一消息在一個采樣周期內(nèi)重復發(fā)送兩次，地面解碼控制儀根據(jù)校驗位判斷每個字的正確性。

由單片機編程輸出兩路I/O控制信號，經(jīng)過濾波電路、運放電路、整型電路后，產(chǎn)生曼徹斯特編碼雙相電平信號，并經(jīng)單芯鎧裝電纜送至地面解碼控制儀。為滿足曼徹斯特編碼格式及井下電子壓力計與地面解碼控制儀之間的通訊協(xié)議，井下電子壓力計軟件采用如下的編程方式輸出波形。

a）壓力字同步頭為262.5μs高電平后跟隨262.5μs低電平，溫度字同步頭為262.5μs低電平后跟隨262.5μs高電平；

b）若數(shù)據(jù)位為邏輯0，則在87.5μs低電平后跟隨87.5μs高電平；

c）若數(shù)據(jù)位為邏輯1，則在87.5μs高電平后跟隨87.5μs低電平；

d）校驗位的波形產(chǎn)生方式與數(shù)據(jù)位相同。

4、曼徹斯特碼解碼軟硬件設(shè)計

地面解碼控制儀需將井下電子壓力計輸出的曼徹斯特碼進行解碼，并按通訊協(xié)議用軟件將接收到的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為井下電子壓力計測得的壓力和溫度數(shù)據(jù)，即地面解碼控制儀中的解碼過程為井下電子壓力計編碼過程的逆過程。曼徹斯特碼解碼過程可分為如下三部分：

a)同步字頭檢測，并辨別其為溫度數(shù)據(jù)還是壓力數(shù)據(jù)。

b)對曼碼形式的數(shù)據(jù)進行解碼，從曼徹斯特碼波形中分離出同步時鐘，并將時鐘和數(shù)據(jù)進行處理使曼碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為非歸零二進制數(shù)據(jù)。

c)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，并進行奇偶校驗，以檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

經(jīng)過幾千米鎧裝電纜傳輸上來的數(shù)據(jù)，幅度衰減到毫伏級，因此井上需要精密的解碼電路，才能保證數(shù)據(jù)傳輸無誤碼率。井下傳輸上來的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波電路、精密運算放大器、雙D觸發(fā)器輸出曼碼波形給單片機，經(jīng)過單片機的程序轉(zhuǎn)化為井下的壓力與溫度數(shù)字量。

5、試驗結(jié)果

直讀式電子壓力計首臺產(chǎn)品完成廠內(nèi)試驗后，到油田用8000m的鎧裝電纜連接井下電子壓力計和地面解碼控制儀，將電子壓力計下放到井下6500m的深度，在溫度高達150℃、壓力為30～60MPa的油井中測試壓力和溫度。在三次連續(xù)5個小時的測試過程中，數(shù)據(jù)傳輸準確可靠，沒有出現(xiàn)丟點現(xiàn)象，誤碼率為零。

6、結(jié)束語

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子壓力計通訊方案、通訊協(xié)議、單芯遠距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼軟硬件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，增強了電子壓力計在油田測井領(lǐng)域的市場競爭力。

參考文獻：

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[2]《采油工程手冊》.萬仁薄論文關(guān)鍵詞:直讀式電子壓力計;單芯遠距離傳輸;曼徹斯特碼;編碼;解碼

論文摘要:本文從現(xiàn)有存儲式電子壓力計的技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，分析了在井下高溫、高壓、遠距離條件下，實現(xiàn)壓力、溫度數(shù)據(jù)實時可靠采集、傳輸、分析的壓力計——直讀式電子壓力計的數(shù)據(jù)傳輸方案和實施，并從技術(shù)需求分析、通訊方案選擇、單芯遠距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼的軟硬件設(shè)計等方面，對直讀式電子壓力計數(shù)據(jù)傳輸方案進行了深入研究。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子壓力計的關(guān)鍵技術(shù)，增強了電子壓力計在油田測井領(lǐng)域的市場競爭力。