石英压力计温度补偿设计及其应用

　　0　引　言

　　石英晶体压力计是应用在油田油气井的井下进行压力测量的井下压力数字测量仪表。它所采用的组装式石英谐振压力传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性好、使用方便等优点[1]。由于在井下压力测量过程中,温度是随着井深变化的。而组装式石英谐振压力传感器用石英晶体制成敏感元件,在测量媒介的压力时,被测媒介的温度变化将直接影响压力传感器的输出变化,这种变化一是由石英晶体自身固有的温度-频率特性所致,与石英晶体自身的切型和切角有关[2];另外,组装式石英谐振压力传感器的敏感元件是封装在特殊的金属结构内,在装配、焊接过程中产生的应力影响,也是此类传感器在实际应用中主要的误差来源[3]。为使组装式石英谐振传感器制作的压力计满足油田科研、生产需要,在设计压力计时考虑了对其进行温度补偿的结构设计,并在压力计中增加测温模块,在室内为其建立温度补偿数学模型,编制其相应的处理程序,并利用工控机现场采集数据,实现对压力计的实时综合补偿,从而使压力计的压力测量准确度在0~100℃范围内达到0.05级。

　　1　石英压力计的温度补偿设计及工作原理

　　1.1　压力计组成、结构及补偿原理

　　石英压力计由组装式石英谐振传感器及谐振电路、温度补偿传感器及谐振电路、测温传感器及振荡电路、混频电路、整形电路、调制和供电电路组成,各部分在压力计中的布局如图1成所示。

　　组装式石英谐振传感器是压力计的核心,结构设计受国家专利(专利号为:ZL96248211.0)保护,它利用了石英晶体谐振器的“力频效应”作传感原理,即外界压力的变化改变石英谐振器的谐振频率。由于油田井下压力与地层温度密切相关,因此,在使用中它直接接触测量媒介,同时感受到被测媒介的压力和温度,在组装式石英谐振传感器的输出频率信号中同时包含压力和温度的变化。

　　温度补偿传感器在结构设计和工作原理上与压力传感器相同,只是在使用中它只感受到被测媒介的温度变化,它的输出频率信号中仅包含温度信号。在混频电路里,压力传感器和温度补偿传感器输出的信号比较,消除其相同的温度信号部分,得到是纯净的压力信号。另外,通过这种频率比较还可以降低压力计输出信号的频率,有效地防止高频信号在传递过程中的驻波损耗和畸变。整形电路对信号进行施密特整形后成方波,再经放大、调制完成压力信号的处理。理论上讲,组装式石英谐振传感器的温度补偿问题通过结构设计已基本得到解决。但是,这种结构上的温度补偿仅考虑了零点压力状态,在测量压力的过程中,压力传感器的温度输出与温度补偿传感器的温度输出不一致。表1为9805#压力计在不同温度下的压力标定数据。