高精度高溫度測(cè)量儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳仁才，陳紅

(重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033)

高精度高溫度測(cè)量儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳仁才，陳紅

(重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033)

本文介紹一種溫度測(cè)量儀(又稱溫度探測(cè)儀)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。這種溫度測(cè)量儀具有高精度、高靈敏度、寬溫度測(cè)量范圍，寬輸入電壓、低功耗工作等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)溫度測(cè)量要求較高的工業(yè)控制、鉆井孔工程、地?zé)岬瓤辈焓┕ゎI(lǐng)域。

精度；靈敏度；溫度；地?zé)?；勘?/p>

1 概述

在工業(yè)控制中常常需要對(duì)溫度作精確、高可靠性測(cè)量；在鉆井孔地?zé)峥辈熘胁粌H需要對(duì)地層作自然γ、視電阻率、自然電位等測(cè)量以及鹽化實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行地層分層解釋、含水層位置確定，更需要對(duì)溫度作精確測(cè)量以便對(duì)鉆孔中地層水的溫度高低進(jìn)行劃分，尋找目的地層以便指導(dǎo)后續(xù)地?zé)豳Y源的開發(fā)、利用。然而在現(xiàn)實(shí)生活中一般溫度測(cè)量儀器當(dāng)環(huán)境溫度大于75℃時(shí)儀器便不能工作，有的儀器即使工作，溫度測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

本文主要以一種溫度測(cè)量探管為例來介紹這種高精度、高靈敏度、寬溫度測(cè)量范圍的溫度測(cè)量儀(探管)的設(shè)計(jì)、刻度及其應(yīng)用領(lǐng)域。

2 設(shè)計(jì)思路

整個(gè)儀器設(shè)計(jì)選擇采用工作溫度≥125℃的特殊電子元器件，這些器件具有工作環(huán)境溫度高、溫漂小、精度高、長期工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

2.1 溫度傳感器的選擇

溫度測(cè)量一般選用Pt(鉑)電阻作溫度傳感器。本儀器采用Pt100經(jīng)特殊工藝加工制成溫度傳感器，它對(duì)溫度變化能瞬時(shí)作出反應(yīng)，且其電阻值與溫度有穩(wěn)定的相關(guān)性，即任一溫度下都有其直接對(duì)應(yīng)的電阻值(見表1)。

2.2 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

如圖1將Pt溫度傳感器(圖中Rp)接入電橋線路中，當(dāng)溫度發(fā)生變化將引起后續(xù)放大器輸入端電壓發(fā)生變化，通過精密放大器信號(hào)放大、處理后可供續(xù)電路數(shù)據(jù)采集器。

表1 溫度和電阻值的關(guān)系

圖1 溫度測(cè)量電路原理示意圖

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)采用低溫漂、低紋波、高穩(wěn)定性電源模塊[1]。當(dāng)溫度從-10℃增加到120℃，模塊輸出電壓變化≤0.5‰，當(dāng)輸入電壓從15V變到59V時(shí)低電壓輸出變化≤1.0‰，電壓紋波≤20mV。

2.4 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集、傳輸通過微處理器控制下完成。溫度變化引起的精密放大器電壓輸出經(jīng)高精度16位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字量經(jīng)微處理器處理后采用RS232方式向外數(shù)據(jù)傳輸。

3 溫度測(cè)量儀(探管)特點(diǎn)、使用范圍及技術(shù)指標(biāo)

3.1 溫度測(cè)量儀特點(diǎn)及使用范圍

溫度測(cè)量儀具有高精度、高靈敏度、寬溫度測(cè)量范圍、高可靠性、寬輸入電壓、低功耗以及體積小、重量輕等特點(diǎn)。它可分別應(yīng)用于有電纜、無電纜的鉆孔中進(jìn)行地層溫度精確測(cè)量，為鉆井地?zé)峥辈旒暗責(zé)豳Y源開采、利用以及工程勘察等提供可靠資料。特別是當(dāng)探管所處環(huán)境溫度達(dá)到100℃以上，一般測(cè)溫探管以及部分測(cè)井電纜便無法工作，這時(shí)可采用由這種溫度測(cè)量儀設(shè)計(jì)而成的無纜溫度測(cè)量儀(≤120℃)便可完成此項(xiàng)測(cè)量工作。

3.2 溫度測(cè)量儀技術(shù)指標(biāo)

在滿足人民需求和推動(dòng)工業(yè)發(fā)展方面，農(nóng)業(yè)都發(fā)揮著極其重要的作用。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最顯著的標(biāo)志是機(jī)械化，但現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不僅僅是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)營機(jī)械設(shè)備，還體現(xiàn)在保護(hù)自然生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展等對(duì)待自然生態(tài)和發(fā)展關(guān)系的態(tài)度方面。建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)，需要發(fā)展對(duì)自然生態(tài)環(huán)境更為友好的農(nóng)業(yè)。農(nóng)田水利現(xiàn)代化建設(shè)有助于提高資源利用效率，促使人與自然和諧相處，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要手段。

輸入電壓Vi：VDC 15～150V

工作電流Ii：≤50mA

外徑尺寸 ：Φ40×500mm

質(zhì)量：2.00kg(可加重錘)

承受壓力 ：20MPa

感溫時(shí)間：≤3s

溫度測(cè)量范圍：-6～120℃

溫度測(cè)量靈敏度：≤0.015℃

4 溫度測(cè)量儀(探管)溫度試驗(yàn)

4.1 儀器刻度(標(biāo)定)試驗(yàn)

將探管整體浸入油箱中逐步加熱，當(dāng)油箱中油的溫度(T)升到一定數(shù)值且穩(wěn)定一會(huì)后讀取探管輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)值(X)，見表2。

表2 油箱中油溫與對(duì)應(yīng)探管輸出數(shù)值

將溫度T與對(duì)應(yīng)數(shù)值X進(jìn)行一元二次擬合回歸得到如下公式：

T=-6.15+0.01295×X+0.0000003×X×X

從表2可見：探管可測(cè)量最低溫度為-6.15℃，最高溫度為120℃，溫度測(cè)量相對(duì)誤差≤0.2%。

說明：可通過調(diào)整圖1中R1、R2或后續(xù)放大器的放大倍數(shù)將溫度測(cè)量儀的測(cè)溫度范圍調(diào)整到-10～120℃。

4.2 溫度測(cè)量儀(探管)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)

將探管整體放入油箱中加熱到某一溫度后保持油箱中油的溫度不變(如40℃)，每過2h讀取溫度(T)與探管輸出對(duì)應(yīng)數(shù)值(X)，進(jìn)行8h探管溫度測(cè)量穩(wěn)定性試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 溫度測(cè)量儀8h工作穩(wěn)定性試驗(yàn)(工作環(huán)境溫度40℃)

從表3可見：此探管溫度測(cè)量最大相對(duì)誤差<±0.2%，說明探管8小時(shí)溫度測(cè)量穩(wěn)定、可靠。

從上述3.1、3.2的試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：①油箱中油的加熱過程受油箱溫控器控制，油的溫度讀取來自溫控器溫度，可能有偏差；②試驗(yàn)時(shí)當(dāng)溫度變化，溫度測(cè)量儀中輸出的數(shù)字量是按數(shù)字1逐漸發(fā)生變化，因此由公式便可得出溫度測(cè)量儀的測(cè)溫靈敏度≤0.015℃。

5 結(jié)語

高溫條件下的高精度、高可靠性、小口徑溫度測(cè)量儀因其功耗低、體積小、重量輕、成本低，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中當(dāng)環(huán)境溫度較高或?qū)囟葴y(cè)量要求較高的工業(yè)控制以及鉆井中工程測(cè)井、地?zé)峥辈斓阮I(lǐng)域，尤其是對(duì)環(huán)境溫度達(dá)100℃以上的鉆孔，采用這種溫度測(cè)量儀設(shè)計(jì)而成的無纜溫度測(cè)量儀便能發(fā)揮更好的作用。

[1] 陳仁才, 陽林鋒. 新型穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)及其在物探測(cè)井設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)裝備,2015(1):21-23.

2015-03-15

陳仁才，男，1987年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院三系放射性物探專業(yè)，98年獲高級(jí)電子工程師，畢業(yè)后長期從事放射性物探儀器、大功率激電儀發(fā)送機(jī)、綜合地球物理測(cè)井井下探管等的儀器設(shè)計(jì)及方法研究工作，參與并負(fù)責(zé)多項(xiàng)國家重大項(xiàng)目中井下測(cè)井探管的設(shè)計(jì)工作，Tel：13101362800，E-mail：cqcrc@163.com；陳紅，女，1988年畢業(yè)于重慶機(jī)器制造學(xué)校模具專業(yè)，長期從事物探儀器的模具、儀器箱體等機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

P631.33

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1009-282X(2015)05-0026-02