一种存储式底部钻具环境压力、温度测量电路的制作方法

本实用新型属于石油、天然气钻井技术领域，特别是涉及一种存储式底部钻具环境压力、温度测量电路。

背景技术：

压力、温度信息是石油钻井录取的主要资料之一。钻柱内外压差与其它钻井参数的测量可以预报井下一些不正常的问题，以便及时采取措施补救，环空压力的测量有助于将当量循环密度和当量静液密度保持在底层破裂压力梯度、孔隙压力梯度和井眼稳定压力梯度敞口内。压力信息的准确测量对减少和消除井下复杂情况及事故，缩短钻井时间，提高钻井速度具有重要意义。温度信息作为压力测量的辅助分析参数，也在一定程度上反映了底部钻具在不同环境温度下的工作性能，对接有电子测量仪器的钻具组合，温度信息是测试其在不同环境温度下的稳定性、测量精度变化情况的重要数据依据。

由于钻井过程中，井下存在高温、振动、腐蚀等多种复杂、恶劣的工作条件，要求底部钻具环境压力、温度测量电路具有高精度、高分辨率、高可靠性以及良好的密封性、抗腐蚀性，同时要求具有良好的工作稳定性，当前常规的压力、温度测量装置难以满足要求；当前压力、温度测量电路通常由高温锂电池提供稳定的直流电能，受底部钻具空间大小和安装尺寸的限制，电池容量必然受限，合理进行压力、温度测量电路结构设计、降低系统功耗是当前需要解决的问题，此外，存储式压力、温度测量装置，对数据存储电路的设计及存储方式都提出了更高的要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种存储式底部钻具环境压力、温度测量电路。

为了达到上述目的，本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路包括：精密测量单元、滤波隔离单元、增益放大单元、模数转换单元、中央处理单元、井下存储单元和电源管理单元；其中：精密测量单元、滤波隔离单元、增益放大单元、模数转换单元、中央处理单元和井下存储单元依次连接，电源管理单元与上述各单元连接。

所述的精密测量单元包括压力传感器和温度传感器；所述电源管理单元选用高温锂电池，电池容量5Ah，耐温150℃，通过LEMO连接器与各单元进行连接，用于为上述各单元提供稳定的直流电能。

所述滤波隔离单元包括第一集成电路U1及其外围电路、第二集成电路U2 及其外围电路，所述的外围电路包括：第一电阻R1～第六电阻R6、第一电容C1～第四电容C4；所述第一集成电路U1和所述第二集成电路U2均选用AD8031 仪表放大器，第一电阻R1一端连接所述第一集成电路U1反向输入引脚-IN1，另一端接地，第二电阻R2一端为所述滤波隔离单元的输入端，连接所述精密测量单元的输出信号VIN，另一端连接所述第一集成电路U1同相输入引脚+IN1；第三电阻R3一端连接所述第一集成电路U1反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第一集成电路U1的输出引脚OUT1，输出信号记为VFIT1，第一电容C1、第三电容C3一端连接3.3V直流稳压电源，另一端接地，用于滤除电源端噪声，第二电容C2一端连接所述第一集成电路U1反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第一集成电路U1的输出引脚OUT1，所述第一集成电路U1的+VS端为电源端，接3.3V直流稳压电源，所述第一集成电路U1的-VS端接地，第四电阻R4 一端连接所述精密测量单元的输出信号VIN，另一端连接所述第二集成电路U2 的反相输入端-IN1，第五电阻R5一端连接所述第二集成电路U2的同相输入端 +IN1，另一端接地，第六电阻R6一端连接所述第二集成电路U2的反向输入端 -IN1，另一端连接所述第二集成电路U2的输出端OUT1，输出信号记为VFIT2，第四电容C4一端连接所述第二集成电路U2反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第二集成电路U2的输出引脚OUT1，所述第二集成电路U2的+VS端为电源端，接3.3V直流稳压电源VDD3.3，所述第二集成电路U2的-VS端接地。

所述增益放大单元包括第三集成电路U3及其外围电路，所述外围电路包括第五电容C5和第六电容C6；其中，所述第三集成电路U3选用LTC6912可编程增益放大器，所述第三集成电路U3的V+引脚和V-引脚均为电源输入引脚， V+引脚接3.3V直流稳压电源VDD3.3，V-引脚接地；第五电容C5为滤波电容，第五电容C5一端连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，另一端接地；所述第三集成电路U3的INA引脚和INB引脚为双路输入引脚，分别连接所述滤波隔离单元输出信号VFIT1和VFIT2，所述第三集成电路U3的AGND引脚为模拟地引脚，通过电容C6接地，所述第三集成电路U3的SHDN引脚为关断引脚，悬空设置，所述第三集成电路U3的引脚、DIN引脚和CLK引脚连接所述中央处理单元，其中引脚为逻辑输入引脚，低电平有效，DIN引脚为数据输入引脚，CLK为同步时钟引脚，所述第三集成电路U3的DOUT引脚为逻辑输出引脚，悬空设置，所述第三集成电路U3的数字地引脚DGNG接地，所述第三集成电路U3 的OUTA引脚和OUTB引脚为输出引脚，其输出信号分别记为VAMPA和VAMPB。

所述模数转换单元包括第四集成电路U4及其外围电路、第五集成电路U5 及其外围电路、第六集成电路U6及其外围电路，所述的外围电路包括：第七电阻R7～第十电阻R10、第七电容C7～第十一电容C11；所述第四集成电路选用 MAX6225 2.5V电源转换芯片，所述第五集成电路U5选用AD7915模数转换芯片，所述第六集成电路U6选用OPA333运算放大器芯片，所述第四集成电路 U4的输入引脚IN连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，第七电容C7一端连接3.3V 直流稳压电源，另一端接地，所述第四集成电路U4的GND引脚接地，所述第四集成电路U4的OUT引脚为输出引脚，连接所述第五集成电路U5的电源正引脚VDD，第八电容C8一端连接所述第四集成电路U4的OUT引脚，另一端接地，所述第五集成电路U5的IN-输入引脚通过第七电阻R7连接所述增益放大单元输出信号VAMPB，第九电容C9一端连接所述第五集成电路U5的IN-输入引脚，另一端接地，所述第五集成电路GND引脚接地，所述第五集成电路U5 的IN+输入引脚通过第八电阻R8连接所述增益放大单元输出信号VAMPA，第十电容C10一端连接所述第五集成电路U5的IN+输入引脚，另一端接地，所述第五集成电路U5的CNV引脚、SDO引脚和SCK引脚连接所述中央处理单元，其中，CNV引脚为转换输入引脚，SDO引脚为SPI串行输出引脚，SCK引脚为 SPI串行时钟引脚，所述第五集成电路U5的引脚为SPI串行输入和片选复用引脚，连接所述第五集成电路U5的数字输入输出引脚VIO，所述第五集成电路U5的VIO引脚连接所述第五集成电路U5的VDD引脚，所述第五集成电路U5的参考电压输入引脚REF连接所述第六集成电路U6的输出引脚OUT，所述第六集成电路U6的电源正引脚V+连接3.3V直流稳压电源，第十一电容 C11一端连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，另一端接地，第九电阻R9一端连接 3.3V直流稳压电源VDD3.3，另一端连接所述第六集成电路U6的+IN同相输入引脚，第十电阻R10一端连接所述第六集成电路U6的+IN同相输入引脚，另一端接地，所述第六集成电路U6的V-引脚接地，所述第六集成电路U6的-IN引脚为反相输入引脚，连接所述第六集成电路U6的输出引脚OUT。

所述中央处理单元包括第七集成电路U7及其外围电路，所述的外围电路包括：第十一电阻R11、第十三电容C13～第十六电容C16和第一晶振Y1；其中，所述第七集成电路U7选用PIC18F25K80单片机芯片，第十一电阻R11的一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端连接第十二电阻R12的一端，第十二电阻 R12的另一端连接所述第七集成电路U7的可编程控制引脚第十二电容 C12的一端连接第十二电阻R12的一端，另一端接地，第十三电容C13的一端连接所述第七集成电路U7的VCPP引脚，另一端接地，第一晶振Y1的第一端连接所述第七集成电路U7的OSC1引脚，第一晶振Y2的第二端连接所述第七集成电路U7的OSC2引脚，第十四电容C14的一端连接所述第七集成电路U7 的OSC1引脚，另一端接地，第十五电容C15的一端连接所述第七集成电路U7 的OSC2引脚，另一端接地，第十六电容C16的一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端接地，所述第七集成电路U7的电源引脚VDD连接3.3V直流电源VDD3.3，所述第七集成电路U7的VSS引脚接地，所述第七集成电路U7的I/O引脚RC0 连接所述增益放大单元中所述第三集成电路U3的引脚，所述第七集成电路 U7的I/O引脚RC1连接所述增益放大单元中所述第三集成电路U3的DIN引脚，所述第七集成电路U7的I/O引脚RC2连接所述增益放大单元中所述第三集成电路U3的CLK引脚；所述第七集成电路U7的SPI数据输出引脚SDO连接所述第五集成电路U5的CNV引脚，所述第七集成电路U7的SPI输入引脚SDI连接所述第五集成电路U5的SDO引脚，所述第七集成电路U7的SPI时钟引脚 SCK连接所述第五集成电路U5的SCK引脚。

所述井下存储单元包括第8集成电路U8及其外围电路，所述的外围电路包括：第十三电阻R13和第十七电容C17；所述第八集成电路U8选用M25P32芯片，所述第八集成电路U8的片选引脚S连接所述第七集成电路U7的RB1引脚，所述第八集成电路U8的SPI数据输出引脚Q连接所述第七集成电路U7的SDI 引脚，所述第八集成电路U8的写保护引脚W悬空，所述第八集成电路U8的 VSS引脚接地，所述第八集成电路U8的SPI输入引脚D连接所述第七集成电路U7的SDO引脚，所述第八集成电路U8的SPI时钟引脚C连接所述第七集成电路U7的SCK引脚，所述第八集成电路U8的VCC引脚连接3.3V直流电源 VDD3.3，第十三电阻R13一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端连接所述第八集成电路U8的保持引脚第十七电容C17一端连接3.3V直流电源 VDD3.3，另一端接地。

本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路具有如下有益效果：通过选用低功耗电子元器件，对存储式压力、温度测量电路结构进行设计，实现了钻进过程中对底部钻具环境压力、温度信息的实时测量与存储，在井下恶劣工作环境下，通过滤波、放大、转换等一系列过程，保证了数据采集的精度和准确性，对提高存储式压力、温度测量电路井下工作时的稳定性、延长其井下工作寿命具有良好的效果。

附图说明

图1为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路的结构框图。

图2为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路中滤波隔离单元电路结构图。

图3为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路中增益放大单元电路结构图。

图4为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路中模数转换单元电路结构图。

图5为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路中中央处理单元电路结构图。

图6为本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路中井下存储单元电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的存储式底部钻具环境压力、温度测量电路包括：

精密测量单元100、滤波隔离单元200、增益放大单元300、模数转换单元400、中央处理单元500、井下存储单元600和电源管理单元700；其中：精密测量单元100、滤波隔离单元200、增益放大单元300、模数转换单元400、中央处理单元500和井下存储单元600依次连接，电源管理单元700与上述各单元连接。

所述的精密测量单元100包括压力传感器1001和温度传感器1002，用于钻进过程中实时测量所在位置附近的压力、温度信息，所述滤波隔离单元200用于隔离精密测量单元100与后续单元并滤除所述精密测量单元100输出信号中携带的噪声，所述增益放大单元300用于对滤波后的信号进行放大，所述模数转换单元400用于实现模拟信号到数字信号的高精度转换，所述中央处理单元 500用于设置压力、温度信息采样、存储时间间隔，将所述模数转换单元400输出的压力、温度信号送入所述井下存储单元600中进行存储，所述电源管理单元700选用高温锂电池，电池容量5Ah，耐温150℃，通过LEMO连接器与各单元进行连接，用于为上述各单元提供稳定的直流电能。

如图2所示，所述滤波隔离单元200包括第一集成电路U1及其外围电路、第二集成电路U2及其外围电路，所述的外围电路包括：第一电阻R1～第六电阻 R6、第一电容C1～第四电容C4；所述第一集成电路U1和所述第二集成电路U2 均选用AD公司的AD8031仪表放大器，第一电阻R1一端连接所述第一集成电路U1反向输入引脚-IN1，另一端接地，第二电阻R2一端为所述滤波隔离单元 200的输入端，连接所述精密测量单元100的输出信号VIN，另一端连接所述第一集成电路U1同相输入引脚+IN1；第三电阻R3一端连接所述第一集成电路 U1反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第一集成电路U1的输出引脚OUT1，输出信号记为VFIT1，第一电容C1、第三电容C3一端连接3.3V直流稳压电源，另一端接地，用于滤除电源端噪声，第二电容C2一端连接所述第一集成电路U1 反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第一集成电路U1的输出引脚OUT1，所述第一集成电路U1的+VS端为电源端，接3.3V直流稳压电源，所述第一集成电路U1的-VS端接地，第四电阻R4一端连接所述精密测量单元100的输出信号 VIN，另一端连接所述第二集成电路U2的反相输入端-IN1，第五电阻R5一端连接所述第二集成电路U2的同相输入端+IN1，另一端接地，第六电阻R6一端连接所述第二集成电路U2的反向输入端-IN1，另一端连接所述第二集成电路U2 的输出端OUT1，输出信号记为VFIT2，第四电容C4一端连接所述第二集成电路 U2反向输入引脚-IN1，另一端连接所述第二集成电路U2的输出引脚OUT1，所述第二集成电路U2的+VS端为电源端，接3.3V直流稳压电源VDD3.3，所述第二集成电路U2的-VS端接地。

如图3所示，所述增益放大单元300包括第三集成电路U3及其外围电路，所述外围电路包括第五电容C5和第六电容C6；其中，所述第三集成电路U3 选用LT公司的LTC6912可编程增益放大器，所述第三集成电路U3的V+引脚和V-引脚均为电源输入引脚，V+引脚接3.3V直流稳压电源VDD3.3，V-引脚接地；第五电容C5为滤波电容，第五电容C5一端连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，另一端接地；所述第三集成电路U3的INA引脚和INB引脚为双路输入引脚，分别连接所述滤波隔离单元200输出信号VFIT1和VFIT2，所述第三集成电路U3 的AGND引脚为模拟地引脚，通过电容C6接地，所述第三集成电路U3的SHDN 引脚为关断引脚，悬空设置，所述第三集成电路U3的引脚、DIN引脚和CLK 引脚连接所述中央处理单元500，其中引脚为逻辑输入引脚，低电平有效， DIN引脚为数据输入引脚，CLK为同步时钟引脚，所述第三集成电路U3的DOUT 引脚为逻辑输出引脚，悬空设置，所述第三集成电路U3的数字地引脚DGNG 接地，所述第三集成电路U3的OUTA引脚和OUTB引脚为输出引脚，其输出信号分别记为VAMPA和VAMPB。

如图4所示，所述模数转换单元400包括第四集成电路U4及其外围电路、第五集成电路U5及其外围电路、第六集成电路U6及其外围电路，所述的外围电路包括：第七电阻R7～第十电阻R10、第七电容C7～第十一电容C11；所述第四集成电路选用U4MAXIM公司的MAX6225 2.5V电源转换芯片，所述第五集成电路U5选用AD公司的AD7915模数转换芯片，所述第六集成电路U6选用 OPA333运算放大器芯片，所述第四集成电路U4的输入引脚IN连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，第七电容C7一端连接3.3V直流稳压电源，另一端接地，所述第四集成电路U4的GND引脚接地，所述第四集成电路U4的OUT引脚为输出引脚，连接所述第五集成电路U5的电源正引脚VDD，第八电容C8一端连接所述第四集成电路U4的OUT引脚，另一端接地，所述第五集成电路U5的IN- 输入引脚通过第七电阻R7连接所述增益放大单元300输出信号VAMPB，第九电容C9一端连接所述第五集成电路U5的IN-输入引脚，另一端接地，所述第五集成电路GND引脚接地，所述第五集成电路U5的IN+输入引脚通过第八电阻 R8连接所述增益放大单元300输出信号VAMPA，第十电容C10一端连接所述第五集成电路U5的IN+输入引脚，另一端接地，所述第五集成电路U5的CNV 引脚、SDO引脚和SCK引脚连接所述中央处理单元500，其中，CNV引脚为转换输入引脚，SDO引脚为SPI串行输出引脚，SCK引脚为SPI串行时钟引脚，所述第五集成电路U5的引脚为SPI串行输入和片选复用引脚，连接所述第五集成电路U5的数字输入输出引脚VIO，所述第五集成电路U5的VIO引脚连接所述第五集成电路U5的VDD引脚，所述第五集成电路U5的参考电压输入引脚REF连接所述第六集成电路U6的输出引脚OUT，所述第六集成电路U6 的电源正引脚V+连接3.3V直流稳压电源，第十一电容C11一端连接3.3V直流稳压电源VDD3.3，另一端接地，第九电阻R9一端连接3.3V直流稳压电源 VDD3.3，另一端连接所述第六集成电路U6的+IN同相输入引脚，第十电阻R10 一端连接所述第六集成电路U6的+IN同相输入引脚，另一端接地，所述第六集成电路U6的V-引脚接地，所述第六集成电路U6的-IN引脚为反相输入引脚，连接所述第六集成电路U6的输出引脚OUT。

如图5所示，所述中央处理单元500包括第七集成电路U7及其外围电路，所述的外围电路包括：第十一电阻R11、第十三电容C13～第十六电容C16和第一晶振Y1；其中，所述第七集成电路U7选用MICROCHIP公司的PIC18F25K80 单片机芯片，第十一电阻R11的一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端连接第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端连接所述第七集成电路U7 的可编程控制引脚第十二电容C12的一端连接第十二电阻R12的一端，另一端接地，第十三电容C13的一端连接所述第七集成电路U7的VCPP引脚，另一端接地，第一晶振Y1的第一端连接所述第七集成电路U7的OSC1引脚，第一晶振Y2的第二端连接所述第七集成电路U7的OSC2引脚，第十四电容C14 的一端连接所述第七集成电路U7的OSC1引脚，另一端接地，第十五电容C15 的一端连接所述第七集成电路U7的OSC2引脚，另一端接地，第十六电容C16 的一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端接地，所述第七集成电路U7的电源引脚VDD连接3.3V直流电源VDD3.3，所述第七集成电路U7的VSS引脚接地，所述第七集成电路U7的I/O引脚RC0连接所述增益放大单元300中所述第三集成电路U3的引脚，所述第七集成电路U7的I/O引脚RC1连接所述增益放大单元300中所述第三集成电路U3的DIN引脚，所述第七集成电路U7的I/O引脚RC2连接所述增益放大单元300中所述第三集成电路U3的CLK引脚。所述第七集成电路U7的SPI数据输出引脚SDO连接所述第五集成电路U5的CNV 引脚，所述第七集成电路U7的SPI输入引脚SDI连接所述第五集成电路U5的 SDO引脚，所述第七集成电路U7的SPI时钟引脚SCK连接所述第五集成电路 U5的SCK引脚。

如图6所示，所述井下存储单元600包括第8集成电路U8及其外围电路，所述的外围电路包括：第十三电阻R13和第十七电容C17；所述第八集成电路 U8选用ST公司的M25P32芯片，所述第八集成电路U8的片选引脚S连接所述第七集成电路U7的RB1引脚，所述第八集成电路U8的SPI数据输出引脚Q 连接所述第七集成电路U7的SDI引脚，所述第八集成电路U8的写保护引脚W 悬空，所述第八集成电路U8的VSS引脚接地，所述第八集成电路U8的SPI 输入引脚D连接所述第七集成电路U7的SDO引脚，所述第八集成电路U8的 SPI时钟引脚C连接所述第七集成电路U7的SCK引脚，所述第八集成电路U8 的VCC引脚连接3.3V直流电源VDD3.3，第十三电阻R13一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端连接所述第八集成电路U8的保持引脚第十七电容C17一端连接3.3V直流电源VDD3.3，另一端接地。

本实例中，施工前，设置好存储式底部钻具环境压力、温度测量电路的数据采样及存储频率，将其安装在底部钻具组合的设计位置，随钻具组合下入到井内所需测量的位置，压力、温度测量电路通电即开始工作，由所述精密测量单元100实时测量所处位置附近的压力和温度信息，测量得到的压力和温度信息依次由所述滤波隔离单元200进行信号滤波并与前端所述精密测量单元100 进行信号隔离，由所述增益放大单元300进行信号放大，由所述模数转换单元 400进行模拟-数字信号转换后，送入所述中央处理单元500中，由中央处理单元500将处理后的数据送入所述井下存储单元600中进行数据存储，施工结束后，随底部钻具从井内取出，提取其中存储的压力、温度数据进行分析、解释。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。