. . .. ..
一：传感器选型
压力传感器：JYB-KB-PAG-10压力变送器
技术指标
防爆类型 防爆型 量程 10MPa
输出信号 4~20mA电流输出 系统通用指标
测量介质 油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质 防护等级 IP65 长期稳定性 ≤±0.1%FS/年 热力零点温漂 ≤0.02%FS/℃
介质温度 -20~85℃ 电气连接 接线端子 环境温度 -30~85℃ 过程连接 M20×1.5外螺纹 响应时间 ≤100mS 迟滞性和可重复性 ≤±0.1%FS
精度 ±0.5％FS 非线性 ≤±0.2%FS 供电电源 +24VDC 取压方式 ;表压 外壳类型： 防护型铸铝外壳 探头材质 扩散硅 过载压力 2倍量程 负载能力 ：电流型≤600Ω(不带显示);电压型 ≥3KΩ
工作原理; 压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片
上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A /D转换。
v. .. . ..
. . .. ..
D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。
数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准。
温度传感器：
2.直径为3mm、长为27cm 的Pt100型传感器，根据0.10℃刻度的温度测试仪作为标定标准，利用软件来矫正其非线形失真，该产品实现对石油倾点温度信号的采集和标定。
Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为
(1)-200℃ 式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 测量范围 -200℃~850℃ 允许偏差值△℃ A级 ±(0.15+0.002|t|)；B级 ±(0.30+0.005|t|) 热响应时间 <30s 最小置入深度 热电阻的最小置入深度≥200mm 允通电流 ≤5mA(电流不能大于5mA，而电阻随温度变化，所以电压也要注意) 三、 根据倾点温度测试的国内外要求-温度每降2℃就要对油样的凝结情况进行检测，我们设计了测量过程(如图1)。 2、电桥采集数据的电路图及原理 Pt100电桥电路如图2所示。其中，R1、R2、R3、RPt100组成电桥，R1=R2=R3=R0。 为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，电桥电压不宜太高，一般要求Im<5mA，电桥电压Vbrg=1V。电桥输出压差为： VD=RPt100+R0?2R02(RPt100+R0)Vbrg=RPt100?R02 RPt100+R0 Vbrg (3) 令RPt100?R0=?R，则有 VD=?R2 RPt1(4) 由Pt100温度/阻值对应关系式可知，当温度较低时，Pt100的阻值变化量?R相对于R0较小，则电桥输出压差为： VD=?R4R0Vbrg 即VD正比于Pt100传感器的阻值变化量?R，也说明温度较低时，Pt100传感器的线性度良好；当温度较高时，?R/R0的值较大，Pt100传感器的线性度变差，此时要用软件来较正。 四、测量中的定量计算及误差分析 1、运算放大器放大倍数的确定 由传感器的温度和阻值关系式可知，当温度变化1℃时，Pt100的阻值变化约为0.38Ω，对应的电 v. .. . .. . . .. .. 桥输出压差为： VD=?R4R0Vbrg =0.001V 若采用8位A/D转换器，分辨率为0.0196V，则运算放大器的最小放大倍数应为20倍。若测温的上限定为85℃ (倾点温度一般小于该温度)，Pt传感器在85℃时的理论阻值为132.8Ω，电桥电压为1V，则VD= 0.08296V≈0.083V，即运放的最大放大倍数为60.3。综合上述，可限定运放的放大倍数应在20~60之间。 2、误差分析 (1)桥电压Vbrg=1V时波动产生的误差[2] 从上面的分析可知，在某一温度时，Pt﹑R0不变，设电桥电压有?Vbrg(mV)的变化，就会导致VD有 ?VD=?R+4R0 ?Vbrg mV 的变化。在0℃时，?R=5Ω，则 ?VD=54×95?Vbrg=0.013?V mV Pt100电桥将温度转为电压信号 将电压信号扩大适当倍数 A/D卡将电压信号转化为数字量 将数字量转变为温度值，并进行修正 将端口上的数字量读入计算机 ;若令?VD=1mV，则?V=76mV，即0℃左右，电桥电压Vbrg有76mV波动，会引起1℃的温度误差；同理在85℃左右，电桥电压有10mV的波动，则会引起1℃的温度误差。可见电桥电压Vbrg=1V时的波动系数给对测温带来的误差是很大的，应将其电压波动限制在1mV的级别上。 (2)运放非线性产生的误差 由于运放的放大倍数应在20~60之间，可将放大倍数定为50；若测温范围是0℃~85℃，则在0℃时，VD=13mV；在85℃时，VD=99.5mV，说明输入信号的范围在13mv~99.5mV之间变化。以平均值50作为放大倍数，此时输入信号为13mV，换算出来的输入电压信号值为12.48mV，?VD=-0.52mV，将会引起约1.5℃的误差。由此可见运放的非线性将会带来大约1.5℃的误差，在实际测量中，提高运放线性度以及运放放大倍数均可以减少由运放带来的误差。 (3)A/D转换器非线性带来的误差 在实际应用中会发现，对同一模拟输入信号Vi，经A/D转换得出的数字量会有±1位的跳变，这是由A/D转换器的判断误差造成的。A/D转换器的一位跳变对应的电压值，即为该八位A/D转换器的分辨率，为0.0196V=19.6mV；折算到输入端对应的电压值为0.392mV，将会产生0.392℃的温度误差。 (4)A/D转换器参考电压Vref带来的误差 A/D转换器采用逐次逼近式转换器AD0809，其转换速度较慢，如果输入信号在转换过程中不断变化，则易发生错误，使用时应加采样保持器，且只对本次采样的信号进行转换，以确保转换信号的可靠性。另外，在比较转换过程中，Vref的变化会对输出的二进制代码有影响：在模拟输入信号不变的情况下， Vref变大会导致输出的二进制代码变小；反之，则变大，从而导致了温度误差。 五、注意事项与结论 使用中应注意，由于热惰性会使热电阻阻值变化滞后，为消除误差，应尽可能地减少热电阻保护管外径，适当增加热电阻的插入深度使热电阻受热部位增加。要经常检查保护状况，发现氧化或变形应立即采取措施，并定期进行校验。热电阻应避免放置在炉旁或距加热体太近，应尽量安装在震动小的地方；同时为便于施工和维护。安装位置应尽可能保持垂直，但在有原油流动时则必须倾斜安装，接线盒出孔应向下。 由上面的分析可得，为了提高温度测量的准确性，应使用1V电桥电源、A/D转换器的5V参考电源要稳定在1mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器、A/D转换器和运放的线性度要高。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在±0.2℃ 质量流量计:艾默生罗斯蒙特2700-1700 v. .. . .. . . .. .. 质量流量测量原理 一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力=质量×加速度（F=ma） 如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力： （1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P轴； （2）切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥 利力Fc=2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。 当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度Δx的管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc： ΔFc=2ωVρAΔx （1） 式中，A—管道的流通截面积。 由于存在关系式：mq=ρVA 所以：ΔFc =2ωqmΔx （2） 因此，直接或间接测量在旋转管中流 动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。 传感器内是U型流量管（图2），在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。 根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的（图3）；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流 量管的质量流量。 由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。由于一个流管的扭曲滞后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量。 电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间差”ΔT经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流管外表上的铂电阻温度计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。 密度测量原理 ：流量管的一端被固定，而另一端是自由的。这一结构可看做一重物悬挂在弹簧上构成的重物/弹簧系统，一旦被施以一运动，这一重物/弹簧系统将在它的谐振频率上振动，这一谐振频率与重物的质量有关。质量流量计的流量管是通过驱动线圈和反馈电路在它的谐振频率上振动，振动管的谐振频率与振动管的结构、材料及质量有关。振动管的质量由两部分组成：振动管本身的质量和振动管中介质的质量。每一台传感器生产好后振动管本身的质量就确定了，振动管中介质的质量是介质密度与振动管体积的乘积，而振动管的体积对每种口径的传感器来说是固定的，因此振动频率直接与密度有相应的关系，那么，对于确定结构和材料的传感器，介质的密度可以通过测量流量管的谐振频率获得。 利用流量测量的一对信号检测器可获得代表谐振频率的信号，一个温度传感器的信号用于补偿温度变化而引起的流量管钢性的变化，振动周期的测量是通过测量流量管的振动周期和温度获得，介质密度的测量利用了密度与流量管振动周期的线性关系及标准的校定常数。 科氏质量流 v. .. . .. . . .. .. 量传感器振动管测量密度时，管道钢性、几何结构和流过流体质量共同决定了管道装置的固有频率，因而由测量的管道频率可推出流体密度。变送器用一个高频时钟来测量振动周期的时间，测量值经数字滤波，对于由操作温度导致管道钢性变化，进而引起固有频率的变化进行补偿后，用传感器密度标定系数来计算过程流体密度。 四、信号特性 :罗斯蒙特公司的变送器为模块化并带有微处理器功能，配合ASICS数字技术，可选择数字通信协议。它与传感器连接使用可获得高精确度的质量流量、密度、温度和体积流量信号，并将获得的信号转换为模拟量、频率等输出信号，还可使用275型HART协议通信手操器或AMS、Prolink软件对其组态、检查及通信。 6、管道应力影响 若连接流量传感器管道中心未对准（或不平行）或管道温度改变，管道应力会形成压力、拉力、或剪切力作用到CMF测量管间的对准，引起检测探头的不对称性，导致零点变动。CMF安装好后必须调零以消除或减小这一影响。若管道严重未对准，有可能无法调至零位。管道温度偏离安装时温度，管道产生的热膨胀（或收缩）力亦将作用到流量传感器。有些CMF设计在测量管进出口各有一个很重的分流器，可减小管道应力对测量管的影响。直形测量管CMF特别易受热膨胀力的影响，必要时可在管道装热膨胀隔离管件。 七、实际应用 1、异相流应用 CMF在我厂主要产品如乙烯、丙烯和主要原料轻烃等的测量中使用可靠，但如果使用不当可导致计量超差甚至中断计量。 在原料轻烃的测量中，由于轻烃介质中组分复杂，即含有固体颗粒，又含有气泡，属典型的异相流体，使用过程中经常出现故障，变送器显示的故障信息是Sensor Error、 Dens Overrng、Slug flow即传感器出错、密度超限、团状流，流量计中断计量，为了解决此问题，我们在流量计入口安装了过滤器，用来过滤固体颗粒，又将流量计出口阀门开度限位，以此提高入口压力，用来减少轻烃介质中的气泡含量，采取以上措施后流量计投用正常。 八、结论 质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用，相信将在推动流量测量上显示出巨大的潜力。 1 质量流量计工作原理 质量流量的测量方法可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接检测与质量流量有函数关系的参变量以求得质量流量。其中包括动量法，振动加速法（即CMF，科里奥利质量流量计），差压法，热学法。 间接法又称推导法，它是用体积流量QV乘以流体密度ρ，求得质量流量QM，即QM =ρQV。 推导式质量流量测量有两大类： ① 体积流量计和密度流量计(测量气体时用温度计，压力计替代密度计)组合； ② 双流量计组合。 科里奥利质量流量计，它是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。 2 流量计的安装环境对其精度的影响 科里奥利质量流量计对安装环境有一定的要求，首先要求现场无振动，否则需要采取一些方法来减少振动，如在流量计进出口处用软管相连以减少管道振动对其精度的影响。在安装时应尽量远离振源，否则应加避振装置以尽量减少振源对其测量精度的影响。安装中螺丝与管道的扭力也是造成流量计计量不准的问题之一，如安装过程中不采用软管与管道相连，而与管道法兰螺栓连接时，应注意尽量消除应力。 ① 必须保证管线的同心度和法兰的平行度。应使接管法兰螺栓孔相互对准，螺栓能自然穿入螺孔。尽量避免扭曲应力，减少零点漂移。多个传感器串联安装时，应防止共振现象。为此，每台传感器的支撑应彼此独立，传器间相互距离在2m以上. ② 仪表的专用电缆与动力线不要共线槽敷设，将穿线管接地。流量传感器应该可靠接地，接地电阻应小于4欧姆。如接地不好且电磁场和射频干扰较强时，流量计的数字显示会出现大幅度 v. .. . ..
石油钻井传感器选型
