基于激光测距技术的液位监测传感器校准装置
基于激光测距技术的液位监测传感器校准装置
作者:任忠宏;郑海军;赵雷;王柏平;张阳;万康;王娜;张欣欣;
0引言
近年来,随着石油勘探开发仪器的多样化及快 速发展,专用的石油计量器具的创新势在必行。目 前在测距领域,激光测距仪起到了不容忽视的作用,它 有着测量精确、分辨率高、抗干扰能力强等特点,受 到了有精确测距需求行业的青睐E。针对录井行业 液位监测传感器精确校准处理方面的不足,结合液 位监测传感器的特点,提出了将激光测距技术用于 液位监测传感器快速精确校准的思路,并在实验室 内成功将激光测距仪应用于液位监测传感器的校准 中,使激光技术在石油专用计量器具的校准中切实 得到了应用。
1激光测距技术原理
目前,主流的激光测距技术是相位法激光测距。 相位法激光测距是采用无线电波段频率的激光来实 现⑴,其原理如图1所示。该方法一般需要在待测 物处放置反射镜,将激光原路反射回激光测距仪,由 接收模块的鉴波器进行接收处理。
由图1可知,用正弦信号调制发射信号的幅度, 检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相位 差,通过计算即可得到待测距离。相位法激光测距 仪可以准确地测量半个波长内的相位差,这也是相 位法激光测距仪最为突出的优点:测量精度高,可达 到毫米级别口句。因此,相位式激光测距仪一般应用 在比较精密的测距领域。
激光测距仪是一种功能强大的测 距设备,可广泛应用于不同行业的测距领域。该测距 仪具有无接触式长距离测距且测距精确的优势口勺, 其测距原理示意及结构组成分别见图2和图30
3传统液位校准方法存在的问题
长期以来,液位监测传感器的校准一直延用传 统的手动校准法。手动校准过程如下:①事先设置 一个目标反射板来模拟钻井液的液面,即标靶,同时 将液位监测传感器固定在与标靶同一个水平面的位 置上,使标靶与液位监测传感器探头保持一定距离. 该距离范围保持在液位监测探头盲区与最大测量距 离之间,一般设置为0. 25-5. 00 m即可满足录井 要求,用刻度尺量取该段距离,同时观察液位监测探 头数字面板上显示的测量距离,分别做好记录。② 使标靶在4 mA电流值对应的测试距离和20 mA 电流值对应的测试距离之间由近到远移动,选取几 个点逐一用刻度尺量取,并记录相应的距离和对应 的电流值。③再由远到近量取距离.重复测量,并记 录相应的距离和对应的电流值。④多点校准完成 后.由得到的原始数据绘制刻度曲线.将刻度尺测量 的距离值与液位监测探头面板上显示的测量距离值 作比较,计算对应的误差,如果误差在标准允许的范 围内.则该液位监测传感器视为合格。
该方法耗时长且准确性差,为此,分析采用激光 测距技术校准方法实现校准的自动化。
4液位监测传感器自动校准系统
液位传感器传统的手动校准方法耗时长、准确 性差,不利于液面的精确监测。针对这一现状.渤海 钻探第一录井公司开发了专用的液位监测传感器校 准系统。
4. 1系统组成及原理
根据激光测距技术与液位监测传感器的测距原 理,开发设计出了实验室内用激光测距技术来校准 液位监测传感器的自动校准系统。激光测距技术校 准系统由数据处理系统、控制系统、PCI-1713型数 据采集卡、液位监测传感器、标准激光测距仪、距离 发生器组成。其中:距离发生器包括电机、标靶和连 接件,连接件将电机输出轴的自转运动转化为标靶 的伸缩运动;数据处理系统与距离发生器均连接到 控制系统;液位监测传感器、标准激光测距仪通过 PCI-1713型数据采集卡连接到控制系统,待测液位 监测传感器与标准激光测距仪感应面设置在同一垂 直面上,且均对准距离发生器的标靶。启动数据处 理系统、控制系统.PCI-1713型数据采集卡电源,为 液位监测传感器供电,打开应用软件.进入校准程 序.设置基本参数,包括名称、盲区、距离等,可选择 自动校准及手动校准两种方式,同时检查液位监测 传感器的盲区和软件系统设置的盲区是否一致,启 动校准,即可自动或者手动完成整个校准工作,形成 最终的校准数据及刻度曲线,既可以存储,又可以实 时打印输出。
将激光测距仪和液位监测传感器固定在同一水 平面位置上,设置能移动的标靶.使激光测距仪的激 光接收面与液位监测传感器探头面在距离标靶反射 面的同一距离处。为了使激光测量更精确,激光反 射更全面,将标靶处于距离足够长的暗箱内。标靶 的移动依靠距离发生器来控制。距离发生器是采用 计算机通信控制而设计的运动控制器,用RS 232/ RS 422接口与计算机连接,计算机通过特定的运动 控制指令来控制其动作.能随时移动和停止标靶.改 变标靶与激光测距仪接收面之间的距离。实验室内 一台计算机只控制一台运动控制器,通过RS 232接 口釆用屏蔽线连接。
液位监测传感器通过安全隔离栅直流24 V供 电.接收到的距离信号转换为4~20 mA的电流信 号,并通过采集卡和A/D转换器传输至计算机系统.由软件系统处理并显示。设计原理如图5所示。
4.2 实验室内硬件联接
在实验室内,需要先启动激光测距仪,并将其连 接到PC机上(图6)。在PC机上,可以利用编写的 终端程序与激光测距仪系统进行通信,并通过该软 件控制标靶的移动。
4.3 软件系统
软件采用Microsoft的Visual C+ +编制,该 软件底层控制能力强,开发手段丰富,主要由 SPLASH启动模块、传感器类型选择模块、自动测 试模块、手动测试模块、查看数据库数据模块、生成 曲线图模块、生成Word报表模块、两点极值校准模 块、数据采集卡设置模块、报表参数设置模块、串口 通信控制模块、激光测距仪控制模块、电机控制模块 组成。
通过串口1与电机的运动控制器进行通信,可 实现控制电机、读取电机状态等功能;通过串口 2与 激光测距仪通信,可实现激光测距仪的参数设置、工 作模式的控制与切换、测距数据读取等功能;通过 API函数与PCI-1713高速采集卡交互,可设置采集 卡的采集通道、通道电压范围、是否差分输入、输入 通道的等效阻抗等参数,并读取釆集卡采集到的电 压值;通过ADO ( ActiveX Data Object)方式操作 Access数据库,可实现记录测量数据、查看历史测 量数据(根据“规格型号”或“出厂编号”或两者的组 合查看)、生成曲线图等功能;调用Word模板,填充 测试数据,自动生成最终的测试报告,可消除人工录 入数据的繁琐和出错的可能性,用户可以进一步査看、修改、另存、打印该测试报告。
运行校准软件进行校正,可实现液位监测传感 器4 mA电流值对应的校准距离(最大距离)和 20 mA电流值对应的校准距离(最小距离)符合该传 感器出厂时的标定要求(图7)
启动校准程序,软件会自动控制电机转动,电 机通过丝杠带动目标板转动到1000 mm的位置,程 序会控制电机停止,然后进行测量,并将结果显示在 左边的列表中。测试完1000 mm处的值,软件会控 制目标板继续移动到1200 mm处停止,再次测量并 显示结果。各个点都测量完毕后,会显示由测虽结 果描点形成的曲线。除了自动测试外.还可以进行 手动测试,手动设置目标板在既定位置暂停并进行 测试读值,测量完毕后,再让目标板继续移动,到另 外一个位置后,再次按下“暂停并记录”进行第二次 测量。多点测试完成后,会自动将测量结果形成测 试曲线(图8)。液位监测传感器测试完成后,可以 将测试结果生成Word报表,同时自动将测量数据 填充到Word文件中,可作为校准证书使用。
5结束语
为了将激光测距技术用于液位监测传感器校 准,成功研制了录井行业中激光测距液位监测传感 器自动校准装置,与以往传统的校准方式相比,具有标准精度高、误差小、人为因素少等优点,为确保作 业现场液位监测数据准确提供了后勤保障。
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