劉開緒，吳春梅，馬駿馳，郝 健，王冰茜

(1.大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶 163712；2.大慶油田物資公司采油設(shè)備分公司,黑龍江大慶 163318； 3.大慶油田第一采油廠地質(zhì)工藝隊(duì),黑龍江大慶 163318)

0 引言

隨著勘探工作的深入，為了適應(yīng)海外鉆井、外圍鉆井及“快速、高效”連續(xù)鉆井的需要，對(duì)綜合錄井儀測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性越來越重視，凸顯傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作的重要性[1-4]。

綜合錄井儀電導(dǎo)率傳感器是電感式電導(dǎo)率傳感器，如SK-8D08電導(dǎo)率傳感器，其工作溫度-40～+70 ℃、測(cè)量范圍0～300 mS/cm、輸出信號(hào)4～20 mA、測(cè)量精度為±1%FS，電導(dǎo)率傳感器是用來測(cè)量鉆井液電導(dǎo)率的重要儀表[5]。

由于外圍探區(qū)設(shè)備不具備回遷條件，綜合錄井儀傳感器年度檢定工作難以落實(shí)，為了適應(yīng)嚴(yán)酷的運(yùn)輸條件、苛刻的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)便攜式、高性能現(xiàn)場(chǎng)檢定，需要規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置，設(shè)計(jì)小型化、便攜式現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢定裝置，確保綜合錄井儀更好地發(fā)揮作用尤為重要[6-7]。

1 檢定原理

電導(dǎo)率傳感器的工作原理是采用原級(jí)和次級(jí)2個(gè)磁環(huán)繞組并列安裝在同一軸線上，原級(jí)繞組為發(fā)射線圈，次級(jí)繞組為接收線圈。當(dāng)傳感器探測(cè)頭孔通過有一定導(dǎo)電能力的鉆井液而感應(yīng)，這樣在原級(jí)線圈中通有20 Hz的交變電流時(shí)，原級(jí)線圈磁環(huán)中的交變磁通能夠使經(jīng)過傳感器探測(cè)頭孔而使呈現(xiàn)閉合狀態(tài)鉆井液產(chǎn)生交變電流。該交變電流同時(shí)也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這交變磁場(chǎng)又使次級(jí)線圈感應(yīng)出交變電勢(shì)。次級(jí)感應(yīng)出的交變電勢(shì)信號(hào)經(jīng)電路處理后，送出電導(dǎo)率參數(shù)的檢測(cè)信號(hào)。電導(dǎo)率變送器對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行整形、放大處理，輸出與電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)。

為了檢定電導(dǎo)率傳感器，利用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱穿過傳感器感應(yīng)環(huán)構(gòu)成的回路代替鉆井液的導(dǎo)電能力，依據(jù)電導(dǎo)率傳感器廠家提供的檢定數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表對(duì)傳感器進(jìn)行檢定。不同廠家生產(chǎn)的電導(dǎo)率傳感器，其各自的參數(shù)是有區(qū)別的，表1、表2給出了不同廠家的電導(dǎo)率傳感器標(biāo)準(zhǔn)電阻-電流數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表。

表1 電導(dǎo)率傳感器標(biāo)準(zhǔn)電阻-電流數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

表2 電導(dǎo)率傳感器標(biāo)準(zhǔn)電阻-電流數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

對(duì)傳感器進(jìn)行檢定，只要按照表1或表2的檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試、記錄及數(shù)據(jù)處理即可。根據(jù)電導(dǎo)率傳感器工作原理可知，傳感器感應(yīng)環(huán)內(nèi)液體導(dǎo)電率的不同，即給傳感器檢定回路施加不同電阻值，傳感器就會(huì)輸出不同的電流信號(hào)，故采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱(0.01 Ω～10 kΩ)代替導(dǎo)電液，傳感器輸出電流用精密電流表進(jìn)行顯示，圖1給出了電導(dǎo)率傳感器檢定裝置組成原理圖。

圖1 100 A可調(diào)電流疊加自動(dòng)控制方案

連接導(dǎo)線穿過電導(dǎo)率傳感器的感應(yīng)環(huán)后接在標(biāo)準(zhǔn)電阻箱的接線柱上形成閉合回路，人為地將標(biāo)準(zhǔn)交/直流電阻箱6個(gè)撥盤分別對(duì)應(yīng)的數(shù)值輸入到六位阻值錄入顯示表上，電導(dǎo)率傳感器輸出二線制4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)接到高精度電流顯示表上，電流顯示表和電阻值錄入顯示表分別通過各自的RS485端口通過RS485集線器連接到測(cè)試裝置內(nèi)部的MSP430F169單片機(jī)集中控制單元，在按動(dòng)確認(rèn)發(fā)送按鈕時(shí)，集中控制單元將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)通過發(fā)送天線發(fā)送給上位機(jī)。

2 檢定裝置硬件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電阻箱選用ZX32機(jī)械式0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)交/直流電阻箱，電阻值的切換易于采用手動(dòng)選擇。為此，設(shè)計(jì)的檢定裝置包含上位機(jī)及軟件、測(cè)試裝置兩部分。而測(cè)試裝置又包含面板上的阻值錄入顯示表、電流顯示表、確認(rèn)發(fā)送按鈕、標(biāo)準(zhǔn)電阻箱等，及測(cè)試裝置內(nèi)部的集線器、集中控制單元、WiFi串口透?jìng)髂K等，圖2是電導(dǎo)率傳感器檢定系統(tǒng)原理框圖。電流顯示表選擇0～199.99 mA顯示的四位半表。

圖2 電導(dǎo)率傳感器檢定系統(tǒng)原理框圖

2.1 阻值錄入顯示表設(shè)計(jì)

上位機(jī)同時(shí)肩負(fù)著其他類型傳感器檢定的測(cè)控及數(shù)據(jù)接收和處理任務(wù)，其與各類傳感器檢定裝置采取的是無線通信，上位機(jī)距離各類傳感器檢定裝置是存在一定的距離的。為了減少人力，而又提高檢定效率，設(shè)計(jì)了六位數(shù)顯的電阻值錄入顯示表。

該電阻值錄入顯示表面板上有MENU、LEFT、RIGHT、UP、DOWN、ENTER 6個(gè)按鍵，和6位LED數(shù)碼顯示，利用STC89C52設(shè)計(jì)，備有RS485通訊接口，圖3是阻值錄入顯示表流程圖。

圖3 阻值錄入顯示表流程圖

按下“MENU”鍵進(jìn)入顯示數(shù)據(jù)的修改狀態(tài)，修改位閃爍，按下“LEFT”或“RIGHT”進(jìn)行修改位的向左或向右移位，且循環(huán)移位；按下“UP”或“DOWN”進(jìn)行修改位的“+1”或“-1”循環(huán)操作；按下“ENTER”或設(shè)定的延時(shí)時(shí)間到，則將一組顯示的數(shù)據(jù)通過RS485傳送給MSP430F169單片機(jī)集中控制單元，設(shè)定的串行發(fā)送速率9 600 bit/s。

該阻值錄入顯示表就是為了能將6位撥盤電阻對(duì)應(yīng)的數(shù)值加以顯示，并通過RS485通訊功能將顯示的數(shù)據(jù)傳送給主控單片機(jī)。

2.2 傳感器檢定裝置硬件單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

集中控制單元采用MSP430F169單片機(jī)作為主芯片，程序流程圖見圖4。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

集中控制單元程序初始化后自動(dòng)采集電阻錄入顯示表數(shù)據(jù)和電流顯示表數(shù)據(jù)，當(dāng)按下“發(fā)送確認(rèn)”按鈕后，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)通過WiFi串口服務(wù)器發(fā)送給上位機(jī)。每次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束之后，自動(dòng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，確保變化的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)發(fā)送[8-11]。

接收端的上位機(jī)配以無線路由器以接收檢定裝置硬件發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)軟件按照規(guī)則處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3 檢定裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)誤差正向補(bǔ)償

從表1得知電阻值1.8 Ω時(shí)傳感器輸出電流20 mA，1.8 Ω的電阻值已經(jīng)是比較小的，但連接導(dǎo)線用的電阻值也會(huì)在零點(diǎn)零幾Ω到0.1 Ω之間，這一電阻值會(huì)對(duì)檢定點(diǎn)的數(shù)據(jù)帶來系統(tǒng)誤差。

為了減小導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量帶來系統(tǒng)誤差的影響，可以把待檢定的電導(dǎo)率傳感器靠近電阻箱，也可以使用線徑粗的導(dǎo)線、性能好的導(dǎo)線，這樣可以減少導(dǎo)線的電阻值，但無論如何還是不能消除導(dǎo)線電阻值帶來的誤差。

導(dǎo)線電阻值帶來的誤差屬于系統(tǒng)誤差，是可以修正的。以表1的數(shù)據(jù)為例，繪制了圖5，為了清晰地觀測(cè)曲線的變化趨勢(shì)，圖中忽略了電阻值9 000 Ω的檢定點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖5 電導(dǎo)率傳感器標(biāo)準(zhǔn)電阻值-電流曲線

從圖5可以看出，在對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)1.8 Ω處，當(dāng)導(dǎo)線電阻的引入產(chǎn)生電阻增量ΔR后，對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)電流值I會(huì)產(chǎn)生比較大的變化量。為此，可以采取根據(jù)電阻增量ΔR值采取區(qū)間線性修正法，在檢定點(diǎn)處進(jìn)行正向修正[12-16]。

當(dāng)檢定點(diǎn)電阻值超過28.8 Ω之后，導(dǎo)線電阻值對(duì)電導(dǎo)率傳感器輸出電流值影響逐漸變?。划?dāng)檢定點(diǎn)電阻值超過9 000 Ω之后，導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量影響，可以忽略不計(jì)。

依據(jù)三點(diǎn)共線，采取區(qū)間線性修正法。由已知的兩點(diǎn)坐標(biāo)確定線段的斜率，再根據(jù)(R+ΔR)電阻值求得對(duì)應(yīng)電流值I，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較求誤差值。

認(rèn)為點(diǎn)(R+ΔR，I)在(1.8，20)和(2.4，16)線段上，依據(jù)三點(diǎn)共線，由已知的兩點(diǎn)坐標(biāo)確定線段的斜率，再根據(jù)(R+ΔR)電阻值求得對(duì)應(yīng)電流值。

(1)

式中：I1為第一段起始點(diǎn)電流值；R1為第一段起始點(diǎn)電阻值；I為第一段校準(zhǔn)點(diǎn)電流值；I2為第一段結(jié)束點(diǎn)電流值；R2為第一段結(jié)束點(diǎn)電阻值；ΔR為導(dǎo)線接入的電阻值。

帶入數(shù)據(jù)，可求ΔI值，即：

(2)

在檢定點(diǎn)(1.8，20)處，對(duì)應(yīng)導(dǎo)線電阻值ΔR=0.12 Ω，則對(duì)應(yīng)電流值修正值為ΔI=0.80 mA。

從上面的推導(dǎo)結(jié)果可以看出檢定點(diǎn)(14.4，6)處的修正值已經(jīng)很小，檢定點(diǎn)(28.8,5)處的修正值會(huì)更加接近于0，在此沒有推導(dǎo)。采用三點(diǎn)線性修正法是在考慮電導(dǎo)率傳感器精度的情況下進(jìn)行的，完全能夠滿足工程需要。若采取二次曲線逼近的修正方法將能夠使得導(dǎo)線引入的誤差降低到最小，得到更加準(zhǔn)確的檢定結(jié)果。

根據(jù)上面推導(dǎo)的修正公式，可以利用上位機(jī)軟件對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能是利用傳感器的參數(shù)信息和檢定的數(shù)據(jù)對(duì)傳感器的精度等級(jí)做出判斷，給出檢定結(jié)論。

軟件規(guī)劃為“信息”窗口、“采集”窗口和“查詢”窗口。

“信息”窗口界面規(guī)劃包含檢定用標(biāo)準(zhǔn)器具名稱、檢定依據(jù)、環(huán)境參數(shù)、待檢傳感器外觀檢查等；

“采集”窗口規(guī)劃有導(dǎo)線電阻值的錄入“接入電阻”，和裝置硬件發(fā)送來的電阻值、電流值數(shù)據(jù)顯示條，及一組數(shù)據(jù)的修正和誤差處理等，對(duì)比傳感器的精度和數(shù)據(jù)處理誤差給出傳感器滿足精度指標(biāo)的判定結(jié)論，生成檢定證書?！敖尤腚娮琛敝当粠氲叫拚街型瓿蓪?duì)應(yīng)點(diǎn)誤差的修正。

“查詢”窗口提供檢定數(shù)據(jù)的查詢功能，可以按照?qǐng)?bào)告編號(hào)、器具名稱、檢測(cè)日期進(jìn)行查詢。

4 應(yīng)用測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

按照SY/T 6679.1-2007綜合錄井儀校準(zhǔn)方法，第1部分：傳感器部分，對(duì)電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。利用所設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器檢定裝置對(duì)電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行檢定，在檢定前，利用萬能電橋測(cè)得所用導(dǎo)線的電阻值ΔR=0.12 Ω。實(shí)測(cè)值、測(cè)試數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見表3。

表3 檢定測(cè)量數(shù)據(jù)表(ΔR=0.12 Ω)

表3中，正向修正電流對(duì)應(yīng)于導(dǎo)線電阻值在各個(gè)檢定點(diǎn)處的修正值，修正后電流值等于實(shí)測(cè)電流加上正向修正電流。圖6給出了傳感器檢定數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。

圖6 電導(dǎo)率傳感器檢定系統(tǒng)原理框圖

從圖3可以看出，實(shí)測(cè)電流曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)電流曲線，而修正值曲線與標(biāo)準(zhǔn)電流曲線基本重合在一起了。實(shí)測(cè)電流曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)電流曲線，也是主要體現(xiàn)在電阻值較小的幾個(gè)檢定點(diǎn)處。而從相對(duì)誤差的角度來看，修正后的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值間的最大相對(duì)誤差為0.5%，得出傳感器可以按照1.0級(jí)使用。

5 結(jié)束語

通過電導(dǎo)率傳感器的工作原理分析設(shè)計(jì)了傳感器檢定裝置硬件部分，分析了檢定導(dǎo)線電阻值引入系統(tǒng)誤差的趨勢(shì)，利用三點(diǎn)式線性修正減小了系統(tǒng)誤差，規(guī)劃了上位機(jī)軟件界面等，完成了檢定裝置的整體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了檢定應(yīng)用驗(yàn)證，驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)修正后提高了準(zhǔn)確性，裝置給出的檢定結(jié)論更加真實(shí)。

由于該裝置具備體積小、質(zhì)量輕，適合搬運(yùn)，而且測(cè)試裝置與上位機(jī)間的信號(hào)傳輸采用無線方式，使得檢定裝置便于與其他同類傳感器檢定裝置組合應(yīng)用，公用同一臺(tái)上位機(jī)分時(shí)檢測(cè)[17-19]。裝置經(jīng)過兩年多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了裝置的實(shí)用性。