趙 鼎，祖 靜*，崔春生，張紅艷

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

射孔器槍內(nèi)壓力測試系統(tǒng)研究及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析*

趙 鼎1，2，祖 靜1，2*，崔春生1，2，張紅艷1，2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

槍內(nèi)壓力由于測試環(huán)境的高溫、高壓、高沖擊和空間狹小，至今沒有槍內(nèi)壓力測試儀器成功應(yīng)用于油田，但槍內(nèi)壓力相對于環(huán)空壓力對于壓力的特性反映更直接。因此，開展槍內(nèi)壓力測試儀器研究很有必要。射孔器槍內(nèi)環(huán)境和被測信號的特殊性對測壓儀器殼體防護(hù)及內(nèi)部測試電路等具有嚴(yán)格的要求。用模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)對測試儀進(jìn)行了模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證測試儀的靈敏度和其動態(tài)特性。比較248 MPa壓力下儀器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器所測數(shù)據(jù)可知，儀器獲取的動態(tài)壓力曲線能夠準(zhǔn)確反映被測環(huán)境實(shí)際情況。

動態(tài)測試;槍內(nèi)壓力;模擬環(huán)境試驗(yàn);測試電路;殼體防護(hù);

射孔器槍外環(huán)空壓力不能直觀反映射孔過程，由于射孔器腔內(nèi)壓力環(huán)境空間狹小，壓力更大，在爆炸的同時伴有射孔彈彈架破碎飛片的高速沖擊，測試環(huán)境更加惡劣［1］。槍內(nèi)壓力信號的獲取及分析對于獲取井下爆燃載荷瞬態(tài)特性，動態(tài)響應(yīng)，分析射孔壓裂的完井效果，制定合理的施工工藝都有重要的意義。通過對測試儀器進(jìn)行模擬環(huán)境試驗(yàn)并分析了儀器所測數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證了儀器可靠性及靈敏度。此外，針對目前射孔器槍內(nèi)壓力測試儀器殼體防護(hù)做了進(jìn)一步的工作。

1 井下射孔過程壓力信號分析

1.1 射孔彈爆炸特征

槍內(nèi)一體式復(fù)合射孔器是通過導(dǎo)爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來，目前射孔器裝彈密度一般為16彈/m，普遍使用的102射孔器，彈架直徑d為62 mm，射孔彈相位相差90°，聚能彈和導(dǎo)爆索使用的炸藥，一般為黑索金(RDX)、奧克托金(HMX)或太安(PETN)，通過查資料可得:國內(nèi)生產(chǎn)的炸藥傳爆速度為7 308 m/s～8 012 m/s［2］。

射孔彈螺旋線連接示意圖如圖1所示。螺旋線公式如式(1)所示，

由式(1)得知相鄰射孔彈間導(dǎo)爆索長度約79 mm，在此設(shè)定RDX炸藥的傳爆速度7 900 m/s，可計算出相鄰射孔彈間引爆時間差為:

圖2所示為射孔彈剖面示意圖，A點(diǎn)為起爆點(diǎn)，B點(diǎn)為炸藥燃燒完點(diǎn)，炸藥從A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離可以近似為40 mm，假設(shè)爆轟波的傳播速度為7 900 m/s，單發(fā)射孔彈爆炸時間約5μs，射孔彈爆炸時射孔器內(nèi)壓力信號頻率接近200 kHz。一般采樣頻率取被測信號頻率10倍左右，即要測試并分辨射孔彈爆炸時射孔器內(nèi)壓力快速變化過程，射孔器內(nèi)部測試系統(tǒng)的采樣頻率應(yīng)達(dá)到2 MHz。

圖1 螺旋線連接示意圖

圖2 射孔彈剖面示意圖

1.2 燃爆過程壓力信號模型

假設(shè)單發(fā)射孔彈的爆炸沖擊波為一次半正弦信號，且單次爆轟完畢產(chǎn)生的初始沖擊波壓力為94 MPa，以井下常用16/米射孔器為例，射孔彈爆炸產(chǎn)生16個半正弦的小脈沖，則射孔壓力信號可用以下函數(shù)表示:

在式中，0≤x≤160μs，w=2π×105。

壓力信號仿真波形圖如圖3所示。

對其做快速傅里葉變換［3］，可以得到其幅頻特性如圖4所示。

圖3 射孔壓力信號仿真圖

圖4 射孔壓力信號幅頻特性

從圖4中得出射孔信號頻譜較高，要想完全真實(shí)還原出該壓力信號，根據(jù)奈奎氏斯特定理，采樣頻率為被測信號最高頻率的2倍以上，實(shí)際應(yīng)用中通常取被測信號頻率10倍以上。圖4中信號頻率最高可達(dá)1 MHz。

2 槍內(nèi)壓力測試儀器總體設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)性能設(shè)計

射孔器槍內(nèi)壓力測試系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路、微處理器、電源管理電路和采樣存儲電路構(gòu)成。傳感器獲取壓力信號，經(jīng)調(diào)理電路，然后在CPLD芯片的控制下經(jīng)AD采集并存儲到存儲器中。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 信息獲取系統(tǒng)總體框圖

2.2 模擬信號處理電路

傳感器是測試技術(shù)的核心［4］，儀器選用的壓電傳感器，壓電傳感器的輸出是電荷信號，必須要將電荷信號轉(zhuǎn)化為可以作為AD轉(zhuǎn)換器輸入信號的電壓信號，并且模擬信號處理電路的輸出電壓信號范圍要與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配，而且傳感器的輸出信號由于測試環(huán)境的影響會存在高頻噪聲，所以要對傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓信號放大和濾波。因此模擬信號處理電路分為電荷放大電路和低通濾波電路兩部分。下面就電荷放大電路進(jìn)行說明。

該電路如圖6所示實(shí)現(xiàn)的功能是將壓電傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓信號的滿量程輸入為1.5 V，AD轉(zhuǎn)換器的1.5 V參考電壓由單片機(jī)提供。傳感器的滿量程輸出電壓必須小于1.5 V，我們?nèi)?.4 V。為防止射孔個過程中負(fù)壓力影響，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入必須是正電荷，因此引入了基準(zhǔn)電壓VREF，抬高電壓信號，使輸出電壓信號一直保持在零點(diǎn)以上。負(fù)壓的壓力值很小，我們?nèi)REF為0.15 V就能滿足要求。電容C11的作用是濾掉前置電路產(chǎn)生的直流分量和環(huán)境產(chǎn)生的部分噪聲，我們在C11的另一端連接了基準(zhǔn)電壓，這樣電荷放大器的輸出信號就包含了基準(zhǔn)電壓分量?；鶞?zhǔn)電壓有電源管理芯片LP5996的輸出電壓分壓產(chǎn)生。

圖6 電荷放大電路

2.3 CPLD控制模塊

CPLD控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是控制AD轉(zhuǎn)換器和鐵電存儲器協(xié)調(diào)工作完成數(shù)據(jù)的采集、實(shí)現(xiàn)負(fù)延遲。CPLD晶振輸入為50 MHz，輸入到CLK引腳，經(jīng)過CPLD數(shù)據(jù)采集控制單元處理后的時序如下圖所示，25個CLK時鐘信號為一個采樣周期，采樣頻率為2 MHz，采樣周期為0.5μs，在一個采樣周期內(nèi)完成一次壓力信號的采集和存儲，CPLD經(jīng)編程產(chǎn)生如圖7所示時序。

圖7 CPLD信號時序圖

2.4 數(shù)據(jù)采集控制單元

數(shù)據(jù)采集控制單元產(chǎn)生使AD和鐵電存儲器協(xié)調(diào)工作的時序和邏輯信號。在CPLD控制下A/D轉(zhuǎn)換器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存儲到鐵電存儲器中，存儲的同時將數(shù)字量輸入到CPLD，作為CPLD比較觸發(fā)控制單元的輸入。壓力信號達(dá)到觸發(fā)壓力之前，壓力信號一直在鐵電存儲其中進(jìn)行循環(huán)存儲，當(dāng)壓力信號達(dá)到觸發(fā)壓力之后，比較觸發(fā)控制單元啟動負(fù)延遲控制單元工作，使電路系統(tǒng)運(yùn)行一定的時間后停止采集進(jìn)行低功耗狀態(tài)。等待射孔過程完成后，用上位機(jī)讀取測試儀中壓力信號。如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集過程原理圖

2.5 射孔器內(nèi)壓力測試系統(tǒng)殼體耐壓設(shè)計

受結(jié)構(gòu)的限制，測壓系統(tǒng)的殼體的外徑不能大于射孔彈的直徑52 mm，這里我們確定殼體的外徑b為51 mm。內(nèi)徑尺寸與電路、電源及傳感器選型有關(guān)，這里我們?nèi)?nèi)徑a為30 mm。設(shè)計18Ni馬氏體時效鋼作為殼體加工材料［5］，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 18Ni力學(xué)性能參數(shù)表

(1)殼體的最高耐壓

高壓容器不允許產(chǎn)生過量塑性形變，根據(jù)所查資料，在設(shè)計時建議彈塑性界面半徑的最佳半徑［6-7］rb等于，由式(4)可以求得，在上述條件下殼體的彈性極限壓力為:

其中a為測試儀器內(nèi)徑，b表示外徑，單位均為mm。

即當(dāng)射孔時所產(chǎn)生的壓力在小于755 MPa時，殼體還處于彈性階段?？梢缘贸?

再由式(6)得出上述條件下殼體所能要求承受的極限壓力:

滿足1 000 MPa的耐壓要求。

(2)反向屈服極限

由式(7)反向塑性變形的最大壓力為:

可知在第一次施加力產(chǎn)生塑性變形后，在所允許的耐壓范圍內(nèi)如果再次施加壓力，殼體不會產(chǎn)生新的塑性變形仍處于安定狀態(tài)［8］。

2.6 防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)

分析前期幾次防護(hù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)閾醢迤矫媾c測試系統(tǒng)外殼的接觸面很窄，在受高壓過程中，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致?lián)醢搴蜏y試系統(tǒng)的外殼均發(fā)生比較大的變形。經(jīng)過理論分析和力學(xué)計算，我們改進(jìn)了測試系統(tǒng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖9所示。選用硬度較小的鋁材，使兩者作用過程中不會發(fā)生應(yīng)力集中。同時在結(jié)構(gòu)上，防護(hù)結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計成弧形，在壓力作用一開始接觸面積就比較大，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖9 測試系統(tǒng)與新防護(hù)結(jié)構(gòu)裝配圖

3 模擬環(huán)境試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 測試系統(tǒng)模擬環(huán)境試驗(yàn)

測試系統(tǒng)的模擬環(huán)境試驗(yàn)采用模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖10所示?；鹋谔艃?nèi)測試環(huán)境與射孔槍內(nèi)類似，均要承受高溫、高壓和高沖擊的作用，模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)給測試儀提供了一個的動態(tài)測試環(huán)境［9］，模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由4部分組成，分別為模擬膛壓發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，電荷放大器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中模擬膛壓發(fā)生器是模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)的主體，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示;標(biāo)準(zhǔn)傳感器均勻分布模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)的相同的受力面上。

圖10 模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖11 模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)時，在燃燒腔內(nèi)裝入一定量的發(fā)射藥(火藥或炸藥)，電點(diǎn)火頭引爆發(fā)射藥，在燃燒腔內(nèi)產(chǎn)生高溫和高壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時會沖破限壓膜片，產(chǎn)生一個瞬時壓力脈沖，瞬時壓力脈沖進(jìn)入到模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，作用在3個標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和槍內(nèi)壓力測試系統(tǒng)上。3個標(biāo)準(zhǔn)傳感器將采集到的壓力信號經(jīng)過電荷放大器放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)傳感器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在計算機(jī)上。槍內(nèi)壓力測試儀獲取的壓力數(shù)據(jù)需要等燃燒完全完成后，從模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)取出，通過計算機(jī)上專用上位機(jī)軟件讀取。測試儀所測的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)壓力測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證傳感器的幅值靈敏度。

模擬膛壓發(fā)生器設(shè)計的最大可承受壓力為800 MPa，通過控制限壓膜片的厚度和裝藥量兩種方式可以獲得幅值為120 MPa～750 MPa的壓力波形。表2為某厚度限壓膜片下，隨著裝藥量的不同產(chǎn)生最大壓力不斷增加時信號的變化。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)壓力波形參數(shù)

將模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力信號與射孔瞬間壓力信號進(jìn)行對比分析，前者產(chǎn)生的壓力信號上升時間為ms級，后者壓力信號的上升時間為μs級，壓力信號的上升時間不僅是信號時域動態(tài)特性的主要指標(biāo)之一，而且上升時間還可以反映信號中頻率域中信號的帶寬，上升時間越短，信號的諧波分量就多，信號的帶寬就越寬，頻譜覆蓋范圍也就大［10-11］。根據(jù)測試系統(tǒng)動力學(xué)理論，進(jìn)行測試儀動態(tài)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置的激勵信號的頻譜范圍必須充分覆蓋被校測試儀的頻譜，才能將測試儀的全部模態(tài)頻率都能進(jìn)行激發(fā)，得到測試儀完整的動態(tài)效應(yīng)［12］。

模擬膛壓校準(zhǔn)裝置的產(chǎn)生的壓力信號的頻譜不能覆蓋測試儀的所測信號的頻譜，所以不能用模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)對測試儀進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，只是用來驗(yàn)證準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定下的幅值靈敏度。

3.2 模擬環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測試儀在模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)下測得的標(biāo)準(zhǔn)壓力248 MPa的壓力實(shí)測曲線如圖12所示。

圖12 壓力248 MPa下測試儀的壓力實(shí)測曲線

為防止數(shù)據(jù)丟失，測試儀設(shè)定基線電壓為90 mV。經(jīng)MATLAB進(jìn)行處理后得到圖13壓力曲線，該曲線是減去基線值后得到的，即測試儀的壓力曲線的零點(diǎn)是基線電壓對應(yīng)的壓力值。分析可知壓力曲線的上升時間為2.420 ms，峰值壓力為243 MPa。

圖13 壓力248 MPa下測試儀的壓力曲線

峰值之后負(fù)壓的出現(xiàn)是因?yàn)殡姾煞糯箅娐贩答侂娮璨荒軣o限大而導(dǎo)致電荷泄漏造成的［13-14］。

圖14為標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)測得的248 MPa的壓力曲線。壓力上升時間為2.491 ms，脈寬約為23 ms。

將測試儀測得數(shù)據(jù)與在MATLAB基礎(chǔ)上經(jīng)巴特沃斯(Butterworth)低通濾波［15］后的標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線進(jìn)行分析可知:壓力上升時間相差為0.071 ms;峰值壓力相差為5 MPa，峰值誤差為2.02%。標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線與測試儀測得曲線在相同時間軸上顯示如圖15所示。

圖14 248 MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線

圖15 248 MPa標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線與測試儀測得曲線對比

4 結(jié)論

多組不同壓力下在模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)獲取的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知:測試儀獲取的壓力數(shù)據(jù)在峰值壓力和上升時間上能夠準(zhǔn)確記錄膛內(nèi)的壓力變化，也驗(yàn)證了在準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定下測試儀的靈敏度。

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Research on Pressure Measurement System in Perforating Gun and Analysis of Test Data*

ZHAO Ding1，2，ZU Jing1，2*，CUIChunsheng1，2，ZHANGHongyan1，2
(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2 Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Due to the high temperature，high pressure，high impact and a small test environment inside the perforating gun，there is no corresponding testequipment used in oil exploration，but relative to the annulus pressure，inside of the perforating gun’s pressure can better reflect the size of the pressure of the perforating，Therefore，the pressure inside the gun measurement instrument is necessary and meaningful.Due to the special internal environment of the perforating gun and themeasured signal，the appearance of shell protection of test instrument and test circuit have strict requrements.The simulation environmental testing is carried out in the simulation chamber pressure calibration system to validate the sensitivity and dynamic characteristics.Compared with themeasured data of standard sensor at 248 MPa pressure，the dynamic pressure curve which the instrument obtained can definitely reflect the actual situation.

dynamicmeasurement;perforating gun pressure;simulation environmental testing;test circuit;shell protection

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.027

TE135;TP206 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0113-06

項目來源:山西省歸國留學(xué)人員重點(diǎn)科研項目(2008003)

2013-06-21修改日期:2013-07-16

EEACC:7320V

趙 鼎(1987-)男，漢族，山西忻州人，中北大學(xué)碩士研究生，主要從事動態(tài)測試與智能儀器研究，nuczding@ hotmail.com;

祖 靜(1933-)，男，漢族，北京人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)，動態(tài)測試與智能儀器等，jingzu@publicty.sx.cn。