0 引言
在油井生产过程中，通过随时了解油井各方面参数，就可以知道油井的工作情况。这些参数主要包括由抽油机杆运行的位移量和抽油机杆的瞬时压力组成的示功图、液面曲线、电流和电压功图。在测量这些参数的仪器中，有的功能单一，有些操作不方便，可维护性差。为此，我们研制了一种以8098单片机为CPU，包括位移、压力、液面曲线、电流和电压各个参数，并且具有打印、显示和键盘功能的油井综合测试仪。它具有携带、操作方便，质量可靠，功能齐全等特点。
1 系统基本组成及工作原理
油井综合测试仪工作原理图如图1所示。油井综合测试仪的位移传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器以及声波传感器输出的电信号通过各自的滤波器滤波后经放大器放大，由模拟开关切换、A／D转换器分时采样转换成数字信号。8098读取这些信号进行数据处理，并将示功图、液面曲线、电流功图等曲线和一些参数在液晶显示器上显示，同时也可以将数据传送给计算机，还可通过键盘进行人机对话，输送一些必要的参数和命令。
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下面介绍几个传感器的测量原理。
位移传感器：位移传感器开始工作时，通过弦线带动与大弦线轮固定在同一轴上的小齿轮，并通过小齿轮与之啮合的大齿轮转动。同时带动与大齿轮同轴的多圈电位计的转轴转动，这样位移量就通过转换电路转换成电量。
压力传感器：压力传感器采用弹性元件结构形式是简支梁式。当压力作用在弹性元件上时，力使弹性元件产生一个微小变形，这个微小变形使粘贴在弹性元件上的应变片电阻发生变化，通过桥路将该变化转化为电压输出。这样，力就转换成电压信号。
声波传感器是通过连接在井口上的连接器发出枪声，此枪声通过油井套管向下传播，向下传播的声波每遇到一个油管的接箍就会反射回来一个脉冲，当声波传播到液面时，也会发出反射，此反射波通过微分器进行接收。
2 硬件设计的主要特点
2.1 数据存储器RAM的扩展
油井综合测试仪是用来对油田生产井进行巡回检测的仪器，每口井一般需要测量位移、压力、电流、电压等数据，其中主要是液面数据，液面数据在数千个以上。但在野外作业中，需要采集多口井的数据，同时还需将数据保存，以便完成在测井之后回到实验室将数据进行回放。8098单片机的程序存储器ROM和数据存储RAM地址空间加起来是64K。为此，需将地址空间分成两个区间。这样数据存储空间就显得不够用，因而需要扩充。我们把其中的2080H～7FFBH作为程序存储器，8000H～FFFFH作为数据存储区。
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在此采用“段”切换的方法扩大其数据存储区的寻址范围。这种方法可以把数据存储器的物理空间从32K扩展到256K字节。根据需要可以将数据空间从32K扩展到8M字节。8098通过改变“段”寄存器中的内容来访问不同的32K数据存储区。8098的最高位地址A15用作程序存储区和数据存储区的译码线。通过对7FFCH单元的写操作来改变数据存储区的“段”地址。在8098内部RAM中指定FFH单元作为“段”寄存器映像单元。其内容与锁存器的“段”地址相等，当需要改变数据存储器的“段”地址值时，首先改变FFH单元的内容，为所需“段”地址。再将其送至“段”寄存器，即完成段的切换。同时4～16译码器，对“段”地址进行译码。因此这种连接方式就完成了256K空间的寻址。
2.2 声波信号自动调节放大器的设计
在井口连接器发出的枪声，通过油井套管向下传播时，由于油井液面深度比较深，因而井口部分的声波信号与油井液面声波信号相差很大，即井口的信号很强，油井液面信号很弱，因而如果放大器采用固定的放大倍数，那么势必就会造成井口声波信号过度饱和，或者声波液面信号很微弱无波检测到。而操作者往往需要通过纸带记录结果找出油井接箍的反射数目通过计算管子的段数来计算出液面的深度。这就给操作者带来了极大的困难，也可能给测量带来很大误差。因而我们设计一种声波信号自动调节放大器，这样可以根据信号强弱自动调节放大倍数，来满足使用上的需要。具体电路如图3所示。
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图3中S 1～S 8是模拟电子开关。工作过程如下：首先读取放大器输出信号，然后判断其是否饱和，还是微弱信号，通过模拟开关来调整放大倍数，或减小或增大放大倍数，以使信号始终维持在某一水平上，这样便于油井接箍数的检出声波信号的识别。
3 软件设计及实验结果
综合测试仪测量系统的软件，主要由初始化程序，A／D转换程序、串行通信程序、液晶显示程序、键盘处理程序和数据处理程序等组成。其程序运行框图如图4所示。通过此仪器在现场采集压力曲线、示功图曲线和液面曲线如图5所示。
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本仪器的压力测量范围为0～160kN，误差小于2％；位移测量范围为0～6m，误差小于1％；压强测量范围为0～5MPa，误差小于2％；动液面测量范围为0～3000m，误差小于±10m。
4 结束语
本文所介绍的以8098单片机为微处理器的油井综合测试仪，已投入实际运行。实践表明，该仪器性能稳定，抗干扰能力强，测量精度高，操作简单、方便。
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