測井儀器溫度性能檢測裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)

肖雷雷

中海油服油田技術(shù)事業(yè)部 塘沽作業(yè)公司 天津 300450

近年來，隨著國內(nèi)油氣開發(fā)力度逐年加大，淺層油田已日益枯竭，現(xiàn)有石油開采量難以滿足對油氣資源日益增長的需求，因此超深井的勘測和開采逐漸受到石油企業(yè)的關(guān)注。測井儀器是石油行業(yè)探測井下油氣資源分布的專業(yè)設(shè)備，面臨著外部高溫環(huán)境漏熱和內(nèi)部電子器件自發(fā)熱的問題。由于現(xiàn)有部分井內(nèi)溫度已超過電子器件的最高耐受溫度125℃，在沒有其它保護(hù)措施情況下內(nèi)部電子器件將因?yàn)闇囟冗^高而導(dǎo)致工作異常。為解決這個(gè)問題，石油行業(yè)通常采用金屬絕熱瓶的方式對測井儀內(nèi)的電子器件進(jìn)行保護(hù)。

1 測井儀器溫度性能檢測裝置的開發(fā)背景

根據(jù)維保體系要求，維保人員需要按期對金屬絕熱瓶絕熱性能進(jìn)行檢測，將帶有金屬絕熱瓶的被測電子線路短節(jié)放入烘箱內(nèi)進(jìn)行加溫，依次連接地面系統(tǒng)及遙傳短節(jié)，通過地面系統(tǒng)監(jiān)測電子線路內(nèi)溫度參數(shù)變化。根據(jù)SY/T 5204—1997《石油下井儀器金屬絕熱瓶通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，在200℃溫度下持續(xù)加溫4個(gè)小時(shí)，絕熱瓶的溫度上升較初始狀態(tài)不超過60℃，即判定金屬絕熱瓶絕熱性能合格。

此種檢測方式需要連接一系列設(shè)備，占用大量人力物力資源，且槽式烘箱加熱方式能耗較高，因此期望能有一種攜帶便捷，能耗較低的全新測井儀器金屬絕熱瓶性能檢測裝置，以達(dá)到科學(xué)、安全、提高工作效率的目的。

2 總體方案

通過書籍、網(wǎng)絡(luò)、專利查詢、專業(yè)期刊等多種手段廣泛借鑒，經(jīng)過小組內(nèi)部集體討論，決定將數(shù)顯式溫度計(jì)、電加熱帶兩種常用設(shè)備，作為研制工作的借鑒目標(biāo)，將電加熱帶裝置安裝在金屬絕熱瓶外部，使金屬絕熱瓶被均勻包裹，通電后對金屬絕熱瓶進(jìn)行持續(xù)加熱，同時(shí)將一隨溫度變化電阻安裝在保溫瓶內(nèi)部，實(shí)時(shí)監(jiān)測瓶內(nèi)的溫度變化，根據(jù)得到的不同阻值進(jìn)行后續(xù)處理運(yùn)算，最后通過顯示屏顯示出來，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測瓶內(nèi)溫度的目的，見圖1。每種絕熱瓶出廠時(shí)都有單位時(shí)間內(nèi)溫升指標(biāo)，通過對比即可判斷出絕熱瓶溫度性能的好壞。

圖1 測井儀器溫度性能檢測裝置

3 方案分級及優(yōu)選

對總體方案“外加熱式金屬絕熱瓶性能檢測裝置”進(jìn)行方案分級，主要分為加熱部分、檢測部分、數(shù)據(jù)處理與顯示測試盒三部分。其中加熱部分主要包括加熱源；檢測部分包括探測骨架、溫度探頭、驅(qū)動(dòng)電路；數(shù)據(jù)處理與顯示測試盒部分包括處理器、顯示器、供電電源和保護(hù)罩，根據(jù)結(jié)構(gòu)思路，對各部分部件做具體選取。

3.1 加熱部分

根據(jù)SY/T 5204—1997《石油下井儀器金屬絕熱瓶通用技術(shù)條件》測試方法，需要將金屬絕熱瓶置于200℃環(huán)境中，選取兩種市面上滿足此設(shè)計(jì)要求且目前應(yīng)用最廣泛的兩種加熱帶進(jìn)行對比。硅橡膠加熱帶在使用過程中柔軟性好，韌性強(qiáng)，且纏繞在金屬絕熱瓶上便于整形不易滑脫，高溫加熱無刺鼻氣味，產(chǎn)熱效果好。玻璃纖維加熱帶能達(dá)到同樣的產(chǎn)熱效果，但經(jīng)過反復(fù)彎折有碎屑脫落現(xiàn)象，并且由于其表面光滑與金屬絕熱瓶貼合不緊密有間隙，影響加熱效果。通過以上對比分析，硅橡膠加熱帶具有升溫快、重量輕、韌性強(qiáng)、不易滑脫等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過評估經(jīng)濟(jì)成本可接受。

3.2 檢測部分

檢測部分主要由探測骨架、溫度探頭、驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。

3.2.1 探測骨架

主要用于安裝溫度探頭和絕熱處理，由于需要適配不同尺寸的金屬絕熱瓶內(nèi)徑，經(jīng)過實(shí)際測量設(shè)計(jì)出四種變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)徑柱。同時(shí)考慮到對金屬絕熱瓶加熱出現(xiàn)的熱量損失及傳導(dǎo)問題，對探測骨架部分采用密封性和隔熱性設(shè)計(jì)，在骨架前端設(shè)計(jì)一聚醚醚酮（PEEK）材質(zhì)隔熱套，內(nèi)部填充石棉，最大程度上減少絕熱瓶腔體內(nèi)部熱量損失及傳導(dǎo)問題，從而提高測量準(zhǔn)確性。部分金屬絕熱瓶長度較長，為了避免采集的溫度不均，在骨架前段和中段設(shè)計(jì)有兩個(gè)溫度傳感器底座以及線束溝槽，方便后期安裝。

電路板骨架部分，經(jīng)過前期多次的實(shí)驗(yàn)最后繪制加工電路板，結(jié)合電路板的大小，使用三維機(jī)械設(shè)計(jì)（SolidWorks）軟件進(jìn)行三維制圖模擬，繪制安裝電路板骨架，并在骨架上端預(yù)留有顯示器位置，顯示器背光開關(guān)以及整個(gè)系統(tǒng)的電源開關(guān)。電路板的下端，設(shè)計(jì)有可開啟的18650電池倉，并預(yù)留充電接口和外接電源口，方便使用和調(diào)試。最后對圖紙的尺寸及工藝審核、校對，委托加工廠根據(jù)圖紙進(jìn)行零件加工，收貨后對各部分進(jìn)行測量及安裝驗(yàn)收，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 溫度探頭

溫度探頭采集部分考慮到瓶內(nèi)溫度分布差異性，使用雙探頭采集取平均值方式進(jìn)行測量，搜集到市面上幾種常見的溫度傳感器進(jìn)行對比。最終確定PT100鉑電阻耐溫范圍大，可靠性強(qiáng)，而且溫度與輸出阻值全域成線性變化，可降低后期開發(fā)及程序控制難度，所以PT100鉑電阻為優(yōu)選項(xiàng)。對實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，室溫下利用烘箱進(jìn)行溫度測試，烘箱溫度為200℃時(shí)PT100鉑電阻溫度為198℃，溫差為1%，滿足使用要求。

3.2.3 驅(qū)動(dòng)電路

由于溫度探頭選用的為鉑電阻，其輸出為電阻值，需要將其轉(zhuǎn)化為電壓值以便進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程主要有恒流源驅(qū)動(dòng)和分壓電路驅(qū)動(dòng)兩種方法。恒流源作用到可變電阻上時(shí)，產(chǎn)生的電壓變化線性，易于處理。同時(shí)在一些特定工況下，分壓電路耗電量會(huì)猛增，因此恒流源更合適本次設(shè)計(jì)。使用LM324芯片搭建恒流源，其原理是通過運(yùn)放將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放將該微弱壓降信號(hào)放大，即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片處理。根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+=V-=4.096V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對地電壓為V0，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（V0-V-）/RPT100=0，因此電阻PT100上的壓降VPT100=V0-V-=V-*RPT100/R1，因V-和R1均不變，因此U1A電路等效為一個(gè)恒流源流過一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V-/R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)[1]。通過計(jì)算，設(shè)計(jì)好周邊外設(shè)的電阻電容值，最后搭建出503MA輸出的恒流源。

3.3 數(shù)據(jù)處理與顯示測試盒部分

3.3.1 處理器

由于需要對溫度探頭輸出模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示，以往常用的都是51單片機(jī)處理器，使用C語言需要具有較強(qiáng)的編程技能，經(jīng)過在市面上查找，發(fā)現(xiàn)一款開發(fā)簡單高效的arduino處理器，配合Mixly開發(fā)軟件，程序內(nèi)置，開發(fā)可使用積木式語言，極大提高開發(fā)效率。該處理器核心為ATMELATMEGA328P-AU單片機(jī)，其有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，8個(gè)模擬輸入端口，1對TTL電平串口收發(fā)端口及6個(gè)PWM端口，支持USB下載及供電，同時(shí)支持外接5～12V直流電源供電，電源范圍寬。通過軟件編寫開發(fā)并下載模擬仿真，最終調(diào)試出符合本設(shè)計(jì)的程序備用。

3.3.2 顯示器

處理器處理后數(shù)值需要在屏幕上進(jìn)行溫度顯示，在這里只需要顯示兩處采集的溫度即可，采用LCD12864顯示屏足以滿足需求，并且價(jià)格適中功耗低，開發(fā)起來也相對容易。選取LCD12864液晶顯示屏進(jìn)行顯示功能仿真，尺寸大小及漢字顯示行數(shù)符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場測量尺寸長為93.5mm，寬為70.5mm，通過軟件開發(fā)串口輸入三行漢字“你好，米思齊”，屏幕顯示正常，再根據(jù)本設(shè)計(jì)思路，寫入需要顯示的溫度1和溫度2字符及位置，等待主控模塊的輸入信號(hào)即可。

3.3.3 供電電源

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，需要電源供電的有溫度探頭驅(qū)動(dòng)電路5V，NANO處理器5V，顯示屏5V三部分，且選取的型號(hào)都符合方便和功耗低的特性，理論上電源的選擇用兩節(jié)18650可充電電池即可，不需要外界插線同樣方便操作和攜帶。實(shí)測兩節(jié)18650電池滿電狀態(tài)為7.5V，此時(shí)選擇TL431可控精密穩(wěn)壓源穩(wěn)壓，它的輸入電壓用兩個(gè)電阻作為外設(shè)（其中一個(gè)為可調(diào)電阻）就可以設(shè)置從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值，把它接到實(shí)際電路中，調(diào)節(jié)電阻就可以得到穩(wěn)定且精準(zhǔn)的+5V電壓。

整個(gè)設(shè)計(jì)的各部分組成結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 測井儀器溫度性能檢測裝置結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)搭建完成后，通過使用Mixly開發(fā)軟件編程調(diào)試，使整個(gè)設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，考慮到溫度測量的準(zhǔn)確性，結(jié)合實(shí)際需要，在程序開發(fā)過程中溫度顯示值設(shè)定在保留一位小數(shù)[2]，同時(shí)使用可調(diào)溫?zé)犸L(fēng)槍設(shè)定不同檔位，對溫度探頭的測量和實(shí)際顯示進(jìn)行校準(zhǔn)，并結(jié)合工業(yè)用測溫槍，對同一發(fā)熱源進(jìn)行測溫校驗(yàn)，最終確定該設(shè)計(jì)的測量最大誤差在1.5%范圍內(nèi)，在實(shí)際使用中能夠滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

為了驗(yàn)證該溫度性能檢測裝置是否達(dá)到預(yù)期效果，完成實(shí)物搭建后，在石油儀器的維修與保養(yǎng)工作中，特地選取了10臺(tái)帶有保溫瓶的儀器來驗(yàn)證性能，將加熱溫度設(shè)定為200℃，持續(xù)加溫4個(gè)小時(shí)后，測得瓶內(nèi)溫差均在要求范圍內(nèi)，符合石油行業(yè)的要求規(guī)范，證明了該裝置的可行性，該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中狀態(tài)穩(wěn)定，能夠直觀測得溫度并判斷出測井儀器金屬絕熱瓶的性能好壞，對日常維修和保養(yǎng)工作具有指導(dǎo)意義。