使用存储卡的井下存储式电子压力计

　   一、使用方法

　　该仪器用于油田井下压力和温度的自动测试。使用前将存储卡与插在PC机上的定时编程及回放卡连接，写入定时参数，再将存储卡插回存储式电子压力计，接通存储卡上的电源开关和采样指示灯开关，如果采样指示灯按设定的采样间隔闪烁，表明工作正常，关断采样指示灯开关以节省电能，拧上存储式电子压力计的后盖，即可下井测试，测试中按定时要求将压力和温度的测试结果存储于存储卡上，可存储8191个采样点。测试结束后，拧开后盖，关断存储卡上的电源开关，拔下存储卡，将其与定时编程及回放卡连接，其测量记录和该压力计号码等有关数据可输入PC机中进行分析处理。

　　二、系统框图

　　该仪器主要由扩散硅压力 传感器 、半导体温度 传感器 、两个电源/频率变换器、时钟及定时器、单片微处理器、存储卡、充电卡、标定卡、电传卡及电源构成，如图1所示。

　　当充电时，存储卡的位置换为充电卡，当标定时，存储卡的位置换为标定卡，当构成电传式压力计时，存储卡的位置换为电传卡。

　　三、压力/频率变换部分

　　压力 传感器 采用扩散硅压力 传感器 ，具有激励电流小，灵敏度高，蠕变小，重复性好的特点，但温度系数大，线性差，测压时需配合测温并在数据处理中用预先的标定系数进行温度补偿和非线性补偿。

　　由于低功耗的要求，构成负电源的较理想方法是用ICL766O产生一个一SV电源，因此，模拟部分的电源是士SV(考虑到用蓄电池供电不经稳压实际是士4.6~5.6v)。

　　所采用的压力 传感器 的额定激励电流是lmA，激励阻抗和输出阻抗在4.5k左右。恒流源的基准电压是取自I/F变换器AD537的IV基准电压，由于该基准同为激励基准和I/F变换基准，基准50ppm/C漂移的影响可相互抵消。AD537的负电源接在一SV，其IV的基准电压是对负电源而言，电位大约为一4V，因此，构成恒流源的运放必需有较低的输入电压下限。

　　压力 传感器 lmA激励时满度输出为200mV左右，调零电路最大可调偏10%左右的满度，也就是零点输出调到20mV，据此可算出调零电路中的调零电阻Rlo3为240k。为防止调零电位器温度循环中重复性不好的影响，零点调好后要换为固定电阻。由于输出电压的零点调到20mV。故满度时的电压为220mV。

　　传感器的正输出端连接AD537的电压输入端，AD537的电流输出端连一决定电流大小的电阻R106,传感器的负输出端由运放N101：B构成的电压跟随器隔离后连接电阻R106的另一端，决定I/F变换器输出频率的电流大小是传感器的输出电压除以R106，该电流的满度值取的取值为改变该电阻值可调节满度时的输出频率。零点频率定为900Hz。满度频率定为取为5600P，该电容必需选用温度系数小，允用工作温度高，温度循环下容量变化重复性好的型号。

　　由于AD537要求输入电压低于其正电源4V以上，同时希望N101，A的输入电压在其动态范围的中部，这样压力 传感器 的输出电位控制在oV左右较为有利。因此，在传感器激励的电流源中串一1.5k的电阻R104提高传感器的输出电位。运放用MAX478.电源电压可低到士1.IV，输入电压可低到其负电源，静态电流为，又有较高的精度。电路如图2所示。

　　四、温度/频率变换部分

　　测温传感器采用AD590，为一温控电流源，电流为绝对温度的微安值，与另一AD537一起构成的温度/频率变换器，电路如图2所示。

　　AD537的电压输入端2脚与地相连，电流抬出端的1脚与AD590的正端相连，AD59O的负端接一SV电源，这样AD590上有SV的电压可正常工作(要求>4V)，又保证了AD537的电压输入端电位比正电源低4V以上的要求。AD59o要镶嵌在存储式电子压力计的金属体上以便快速感受测试环境的温度变化。虽然AD537本身有温控电压源，但由于管脚较多，镶嵌困难，所以另用AD59o。AD537的负电源端接地，比接一SV可节省电能。

　　五、微处理器及时钟部分

　　微处理器要求具有两个计数器用于压力和温度两路I/F变换器的测频计数，有不采样时能暂停降低功耗的特性，要求是CMOS的，具有低功耗的特性，并希望能用较低的时钟频率工作进一步降低功耗，因此，用工作的上限温度125℃，时钟频率可低到O，内含4k字节PEROM的89C51单片微处理器。89C51中的计数器最高计数频率为其时钟频率除以24，I/F变换器的最高工作频率定为10kHz左右以保证以lh的时间测频时有10倍于精度的数量级(0.1%左右)的分辨率，因此，时钟频率高于240kHz即可。

　　时钟电路用一4.194304MHz的晶振和两片4060构成，电路如图3所示。4.1943o4MHz的时钟经16分频后为262.144kHz，供给89C51的XTAL的l脚作为微处理器时钟，再经262144分频后供给89C51的INT。作秒中断信号，又经16分频后供给INTI作165的中断信号，这两个中断信号均作为采样的定时信号。前者作为测频的秒定时和小间隔采样定时(15以上由软件分频辅助实现)，后者作为大间隔的采样定时(165、325、645……，165以上由软件分频辅助实现)。

　　六、电源部分

　　四节镍镐蓄电池作为供电电源，充足电时电压可达4XI.4一5.6V，不超过电路中数字电路部分89C51、28C256和其他74HC系列及400。系列集成电路的电压上限，放电近结束时为4XI.15一4.6V，不低于上述集成电路的下限电压.电路中的模拟电路部分要有一负电源，由电源变换器ICL766。产生。

　　为了节省电能，模拟部分的电源当采样间隔小于和等于85时连续通电，采样间隔小于4s时不求均值，采样间隔在4s和85间求4个点的均值，当采样间隔大于85时，通电25，采样4s求均值然后断电，由微处理器的PI.。控制一可关断开关稳压器MAX777的通、断来实现，构成方法可参考。采用稳压器可以克服电源电压变动对测试精度的影响，如精度要求不高，可采用P通道的VMOS管作开关.

　　充电时，在插存储卡的位置插一与直流电源相连的充电卡进行充电，充电卡由MAX713构成，卡上有设置开关可控制进行不同速率的充电，构成方法可参考。

　　七、存储卡部分

　　存储卡部分如图4所示。存储卡上的接插件X201与微处理器及时钟部分的接插件X101相联。28C256用于存放编入的定时参数(当插在PC机上的是定时编程及回放卡时编入)及存放测试的记录数据。两个74HC573用于28C256的地址锁存.为了减少存储卡与微机板间的连接线，28C256的地址由P:口分时送出，由P3:00，和Pa.1。分时控制锁存送出的低八位和高七位地址在两个74HC573中，余出的一位用于输出采样指示灯的显示控制信号。28C256的选通端与89C51的P2.。相连，读端与89C51的读端相连，写端与89C51的写端相连，但28C256的读和写也是通过对89C51读和写端进行位控实现的。由于28C256具有页写功能，要有效利用此功能，地址线A。到AS必须按序排列，其余的地址线则不必按序排列，这样有助于印刷电路的排版。电路如图4所示。为节省电能，采样指示灯串一微型开关以便在确定采样工作正常后将采样指示灯电源关闭.之所以用Pa.1，和P3-a。(分别为串行口的TXD和RXD)分时控制锁存28C256的地址，是因单芯恺装电缆的电传式压力计，配以地面的为插存储卡的位置也可插一串行输出卡，将自动监测仪实现实时监测，关于实现的方法该使用存储卡的井下存储式压力计变为使用本文不再详述。

　　八、实验结果

　　上述使用存储卡的井下存储式电子压力计在常温下工作于暂停状态时的电流是ZmA，工作于测量采样状态时是10mA.使用4节5号镍镐电池80℃下至少可工作36h，高温下工作时间短的主要原因是镍福电池在高温下自放电严重。测试结束后将存储卡插在按放在PC机中的定时编程及回放卡上，通过软件回放记录结果并用事先标定的18个系数按公式可计算出压力和温度，打出记录表格，绘出记录曲线，压力精度可达0.1%，温度精度可达到。.5’C。

　　九、改进方向

　　要进一步延长使用时间，一方面要寻求高温下自漏电小的蓄电池品种，另一方面可增加电池节数，再采用MAX639构成的脉宽调制降压稳压器产生SV电压。该存储式电子压力计的外径为36mm、，采用20脚封装的89C251配以24LC64等串行EZROM构成的存储卡可组成外径25mm的产品。

　　参考文献

　　1徐德炳译.传感器的接口及信号调理电路.北京:国防工业出版社，1954

　　2MAXIM.APPLICATIt)NSANDPRODUCTHIGH-LIGHTS，1995

　　本文作者：傅元 梁伟成 李非戈 王素玉