工程用井中温度测量仪的研制及应用*

吴 鹏 耿丽霞 路 杰 郑 勇

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震科学仪器研究院，武汉 430071 3)黑龙江省水文地质工程地质勘察院，哈尔滨150027)

工程用井中温度测量仪的研制及应用*

吴 鹏1，2)耿丽霞3)路 杰1，2)郑 勇1，2)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震科学仪器研究院，武汉 430071 3)黑龙江省水文地质工程地质勘察院，哈尔滨150027)

根据实际需要设计了一款井温测量仪，该仪器采用感温原理和数字技术实现工地现场的井温测量以及数据处理。并将温度测量仪与井温测量方法相结合，从而实现了比较可靠的井温测量。

地铁;勘探孔;井温;温度测量仪;地温物探

1 引言

在一些工程项目中，需要测量地表浅层的温度，并要求测量深度能够达到100 m，而传统的温度测量仪一般都是进行近距离测量，无法实现远距离的温度测量，为了满足井温测量项目要求，必须使用能进行远距离测量的温度测量仪。因此，在传统温度测量仪无法使用的情况下，我们在充分考虑到井温测量仪的关键技术难度以及实现难度的基础上，根据自己的设计方案进行一系列的基础实验。考虑到在野外工作温度探头容易损坏以及节约成本，采用负温度系数敏感度高、一致性好、成本低易封装的9014晶体管作为温度传感器，制作高精度的恒流源，使流过PN结的电流恒定，测量PN结上的电压差，从而得到温度的变化［1］。目前，该井温测量仪已经应用于武汉地区地铁1～8号线的勘探孔的井温测量中，应用效果较好。

2 井温测量仪系统工作原理及结构

PN结温度传感器是一种新型半导体敏感器件，它是一种负温度系数温度-电压转换器件。它兼有热电耦、铂电阻、热敏电阻的各自优点，又克服了这些传统测温器件难以克服的某些固有缺陷，它灵敏度比热电耦K分度高出50倍，线性度优于热敏电阻30倍，响应速度比一般铂电阻快20倍以上。它体积小，响应速度快，线性度好，是常温内比较理想的感温器件。

二极管特性与温度有很大关系，当二极管的正向电压和当晶体管的集电极-发射极之间流过一定的电流时，基极-发射极间的电压均随温度发生变化，PN结温度每改变1度，则PN结的电压约变化2 mV。PN结正向压降随着温度T的上升而下降，近似线性关系。因此，利用电压对温度的依赖关系制成PN结温度传感器。硅晶体管可作为测量-50～100℃温度范围的温度传感器，其精度为正负1%。如图1为硅PN结正向电压与温度的关系曲线［2，3］。

图1 硅PN结正向电压与温度的关系Fig.1 Relation between forward voltage of silicon PN junction and temperature

本文所介绍的井温测量仪的主要测量原理是根据晶体管的PN结电阻随着温度的变化会产生线性变化，因此，通过制作高精度、高稳定度的恒流源来保证流过晶体管的PN结的电流恒定，测量PN结上的电压差来实现温度的测量。井温测量仪的结构框图如图2。

在整个系统中，电源部分采用12V/1.3Ah的蓄电池进行供电，体积小，持续使用时间长。该电源输出纹波系数小，具有很好的稳定度。在晶体管的选择上，通过选择具有负温度系数、敏感度高、一致性好的晶体管作为温度传感器，与此同时，为了减小和消除测量电缆的损耗对测量结果的影响，我们设计了毫安级的高精度恒流源。恒流源部分，采用的是高精度高稳定度的基准电压芯片作为恒压输出，系统采用 AD584作为电压基准，其温度飘移为5 ppm/℃。温度显示方面，采用四位半的数字表头对采样电阻两端电压进行测量，并显示当前测量的电压值，通过选择数字表头的量程档位实现当前所测温度的显示，该井温测量仪的分辨力可以达到0.01℃、精度为0.1℃(采用量程为100℃，精度为0.01℃的酒精温度计进行标定)。整个系统具有功耗低，携带方便，工作稳定度和可靠性高等优点。

图2 井温测量仪结构框图Fig.2 Block chart of well temperature measuring instrument’s structure

3 仪器探头选取及温度标定

在实际的工程井温测量中，测温探头一般都是深埋数十米井下，并用沙土进行填实。因此，温度测量工作结束后，探头回收比较困难。同时，按甲方要求，同一口勘探孔，需要对不同深度的温度进行测量，此时需要布置数个探头进行测量。因此，选择价格比较低廉的晶体管PN结作为温度传感器。为了保证温度测量的可靠性和准确性，选取温度特性一致性比较好的晶体管作为一组，最大程度地消除探头固有特性偏差对温度测量造成的影响。

探头选取：在大量晶体管中挑选放大倍数一致性比较好的晶体管作为一组，并分别进行标号，然后采用环氧树脂将PN结封装在薄金属套管内。使其达到绝缘密封、导热、防水的效果［4］。

井温仪标定：在室温环境下，分别在冰水混合物以及沸水中对选取的探头进行温度标定，并记录下每个探头对应温度的电压输出值。最后在恒温槽中，设定温度为36℃，对温度探头进行进一步的温度标定，同时记录下此时所测的温度数据。最后在数据处理中选取冰水混合物及36℃两个点分别取平均值，确定探头输出电压值随温度变化的斜率K，则根据公式K=(U-U0)/(T-T0)(其中，T为所需的温度数据，T0为0℃的温度，U为PN结两端电压，U0是温度为0℃时，PN结两端的电压，K为PN结输出电压随温度变化的斜率)，即可得到温度数据。

测量误差：本系统分别在冰水混合物中0℃、35.9℃、20℃、14℃及98℃等5个温度点(基本函盖了应用温度范围)进行了测量，经过分析，实际测量温度与酒精温度计比照温度误差平均值不超过0.1℃，满足地温测量要求。

4 井温仪的实际应用

应武汉市政工程的要求，我们于2009年12月16日在武昌区紫阳湖附近的一地铁标段的两口FtJz4-III09-FS-7号和FtJz4-III09-FS-13号勘探井进行井温测量。具体测量方法如下：

1)每钻孔所用6根电缆的长度，与设计要求测量的6个深度相应，每根电缆下端与探头相接，为了确保有良好的防水密封性能，接头处均用环氧树脂密封。

2)当温度传感器(探头)被送到钻孔中的相应深度后，随即测量其是否处于正常工作状态，得到确认后再用细砂填埋到井口。当对钻井填埋好后，分别对两口钻井温度进行测量，再次确认探头在埋砂过程中未被损坏。

3)当认为地温基本处于平衡状态，在埋砂后的第四天、第六天和第八天均对两孔的不同深度各测两组数据取其平均值。

按照上述测量方法，将两个孔的温度探头部署完毕后，分别以间隔如步骤(3)所提到的时间对孔温进行测量。

测量获得两个钻孔不同深度的地温测量结果如表1和表2所示(其中12月16日为埋土当天实测值，12月20日、22日、24日为井温处于平衡状态时的实际值)。

图3为FtJz4-III09-FS-7号孔的地温测量结果，14～29 m均处于恒温层范围，恒温层温度约为21℃ 。从图3可发现，FtJz4-III09-FS-7号孔，17.23 m深处比恒温层温度(21℃)低0.46℃，分析其原因可能是因为是地下水活动所致;25 m深处也是同样的原因造成温度较低。

表1 FtJz4-III09-FS-7号孔温度实测值Tab.1 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-7 hole

表2 FtJz4-III09-FS-13号孔温度实测值Tab.2 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-13th hole

图4为FtJz4-III09-FS-13号孔的地温测量结果。从图 4可知，FtJz4-III09-FS-13号孔，25.08 m及28.08 m深处分别比恒温层温度(21℃)低0.46℃和0.71℃，分析其原因，我们认为是地下水活动，降低了温度(后经证实，该孔确有漏水)，而29 m深处，地下水活动的影响比小，故温度又趋近于21℃，地下水的补给有可能来自紫阳湖，且两孔温度降低的深度大致相等。

图3 FtJz4-III09-FS-7号孔温度实测曲线Fig.3 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-7 hole

图4 FtJz4-III09-FS-13号孔温度实测曲线Fig.4 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-13th hole temperature

5 结论

本井温测量仪已经用于武汉地区1～8号线勘探孔的温度测量，测量结果能比较客观、真实地反映勘探孔的温度情况。

1 W.H.弗特尔，朱德一.井下温度对地层评价的影响［J］.测井技术，1980，(1)：27-33.

2 方俊鑫，陆栋.固体物理学(下册)［M］.上海：上海科学技术出版社，1981.

3 陈水桥.PN结正向压降温度特性的研究和应用［J］.物理实验，2000，20(7)：7-9.

4 张维新.半导体传感器［M］.天津：天津大学出版社，1999.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF TEMPERATURE MEASURING INSTRUMENT IN WELLS FOR ENGINEERING

Wu Peng1，2)，Gen Lixia3)，Lu Jie1，2)and Zheng Yong1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Wuhan Institute of Earthquake Instruments，Wuhan 430071 3)Hydrogeolgy and Engineering Geology Prospecting Institute of Heilongjiang Province，Haerbin150027)

There is an actual need for designing a new well temperature measuring instrument which is based on feeling thermometry principle and realization of digital technology for well temperature measurement and data processing on site.This temperature measuring instrument combines with well temperature measurement methods，thus it is more reliable than the common well temperature measurement.

subway;exploration hole;well temperature;temperature measuring instrument;geothermal exploration

1671-5942(2011)Supp.-0161-04

2011-03-12

吴鹏，男，1985年生，硕士，助理工程师，主要从事智能仪器的设计与开发研究.E-mail：beloved_Wupeng@126.com

TH762

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