综合录井仪电导率传感器检定误差来源分析及修正

刘卓群,董 鹏,李富强,刘开绪,马骏驰

(1.罗斯托克大学 电气工程学院,德国 罗斯托克 18051;2.大庆油田技术监督中心 数字化仪器仪表检测所,黑龙江 大庆 163712;3.大庆钻探工程公司地质录井一公司,黑龙江 大庆 163712;4.大庆师范学院 机电工程学院,黑龙江 大庆 163712)

综合录井仪电导率传感器是用来测量钻井液的电导率值,属于电感式电导率测试一次检测表[1-3]。

电导率传感器由磁感应探头和变送器组成。磁感应探头是将钻井液导电能力转换为感应电压信号,而变送器则是将感应电压信号转换为标准电流信号(4～20 mA)。

SK-8D08是一款常用的录井电导率传感器,其测量范围是0～300 mS/cm,输出信号4～20 mA,工作温度-40～+70 ℃,测量精度±1% FS。

对录井电导率传感器进行检定可以使用对比法,或按照原理进行检定。通常是利用导线串接标准电阻穿过电导率传感器磁感应探头的感应环,当改变回路中标准电阻值时,即模拟改变了钻井液导电能力,从而变送器输出对应标准电阻值的电流信号。

电导率传感器检定的流程比较简单,但关键问题是标准电阻值与电导率传感器输出电流值是非线性的关系,而且检定端点的最小电阻值仅1.8 Ω,若不考虑连接电阻箱的导线自身的零点零几欧到零点几欧电阻,检定误差会非常大,因而对测量结果带来了不可忽视的影响,需要考虑对检定的数据进行修正。

1 检定原理

石油录井所用电导率传感器的测量原理是基于电涡流电感式原理,即在感应探头内的初级线圈上加入一个交流激励信号,使之在呈闭合状态的钻井液中产生感生电流,并感应到电导率传感器的次级线圈上。次级线圈产生感应电压信号的大小与钻井液的导电能力(电导率)成正比。该感应电压信号经变送器整形放大处理后,输出与钻井液电导率值成正比的4～20 mA标准电流信号。

为了检定电导率传感器,利用导线穿过电导率传感器感应环,导线的两端连接在标准电阻箱的接线柱上。利用电阻箱接入到环路中的标准电阻值代替钻井液的导电能力,依据电导率传感器厂家提供的检定数据对应表对传感器进行检定。表1给出了某型号电导率传感器标准电阻-电流数据对应表。

表1 电导率传感器标准电阻-电流数据对应表Table 1 Data of standard resistance-current of conductivity sensor

如采用六拨盘的ZX32标准电阻箱(0.01 Ω～10 kΩ),传感器输出电流用精密电流表进行显示,图1是电导率传感器检定原理图。

图1 电导率传感器检定原理图Figure 1 Schematic diagram of conductivity sensor verification

根据记录接入回路的电阻阻值和电导率传感器输出的电流值,通过处理数据,可求得传感器的精度等级,给出检定结论。

2 检定误差分析

实际应用中,由于导线电阻会对测量误差带来很大的影响,即便使用粗而短的导线或镀银导线等,仍无法彻底消除导线电阻对测量值的影响。为了能够清晰地观察曲线的变化规律,曲线中忽略了(9 000,4)点,图2是电导率传感器标准电阻值-电流曲线。

图2 电导率传感器标准电阻值-电流曲线Figure 2 Curve of standard resistance-current of conductivity sensor

对照表1和图2,在电阻值较小的坐标点(R1,I1)处,当电阻值有较小增量,则电流值就会有很大的变化,而电流值的变化会影响对传感器检定结果正确性的判定。该电阻值有较小的增量是由于串接电导率传感器感应环连接电阻箱端子的导线电阻带来的。

导线电阻的存在为各个测试点都不同程度地引入了误差,该误差归结为系统误差,是可以通过对测量数据的修正加以解决的[4～7]。

3 检定数据的修正[7～11]

由于导线电阻值很小,可以采取分段处理的方式对各测量点数据加以修正。如选取(1.8,20)和(2.4,16)两点,如导线电阻ΔR=0.1 Ω,电阻箱接入标准电阻值为1.8 Ω,实际接入电导率传感器感应环回路的电阻值是1.8 Ω加0.1 Ω,即1.9 Ω接入了回路。

依据三点共线,认为点(R+ΔR,I)在(1.8,20)和(2.4,16)线段上,可求得对应电流值I[12]。

(1)

式(1)中,I1为第一段起始点电流值,R1为第一段起始点电阻值,I为为第一段校准点电流值,I2为第一段结束点电流值,R2为第一段结束点电阻值,ΔR为导线接入的电阻值,则引入校准点电流值I:

(2)

带入数据,可求I值,即

(3)

在端点(1.8,20)附近,由于导线电阻值的引入,会为测量系统带来较大的误差。而在之后的其他点,如(2.4,16)、(3.6,12)及(7.2,8)等,导线电阻引入的误差呈现逐渐减小的趋势,而在点(9 000,4)附近,导线电阻值对测量误差的影响是完全可以忽略不计的,这一点是可以通过上述公式验证的。

导线电阻值引入的误差,校准点输出电流的示值误差:

ΔI=I1-I=20-19.33=0.67(mA)。

(4)

式(4)中:ΔI为校准点输出电流的示值误差,mA;I1为校准点的标准电流值,mA;I为校准点输出电流的示值,mA。

按式(4)计算电导率传感器校准点中输出电流示值的测量误差。

r1=(Δmax/I3)×100%。

(5)

式(5)中:r1为校准点中输出电流示值的测量误差,用百分数(%)表示;Δmax为校准点中输出电流的最大示值偏差,mA;I3为电导率传感器测量范围的标准电流值,mA。

则:

r1=0.67/16×100%=4.19%。

对于测量精度±1% FS的电导率传感器,由于导线电阻值的引入,造成了在必检点超过4%的相对误差,显然是不科学、不可取的。

在对应横坐标1.8 Ω处,当由于导线电阻的引入产生电阻增量ΔR后,对应的纵坐标电流值I会产生比较大的变化量。为此,可以采取根据电阻增量ΔR值在序号点处进行正向修正。假如选定导线电阻为0.1 Ω,当电阻箱选定1.8 Ω电阻值,测得到的电流值应当再加上0.67 mA进行系统误差修正。

同样,对应表1中序号1～6的6个点,即对应着五段线段,在对应的检定点处,可用同样的方法对测量值进行修正,以确保测量数据更加准确。表2给出了各检定点导线引入误差修正电流值。

表2 检定点导线引入误差修正电流值Table 2 Introduce error correction current value of verification point conductor

4 检定应用

依据检定数据表1,在第一个检定点处导线的电阻值引入的系统误差较大,在后续的检定点处导线引入的误差逐渐减小,如果有n个检定点,可以对前(n-1)个检定点进行数据修正,则在第n个检定点处导线的电阻已经影响甚微,可以忽略不计。

采用标准交/直流电阻箱(0.01 Ω～10 kΩ),共6个旋钮,分别对应×0.001,×0.01,×0.1,×1,×10,×100,×1 000档。

遵照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6679.1—2007综合录井仪校准方法,第1部分:传感器部分,对电导率传感器进行测试和数据处理。在检定前,利用电桥测得所用导线的电阻值,记作ΔR=0.33 Ω,根据式(3)和式(4)可以求得各个检定点处的误差修正值,一组实际测量的数据表见表3。

表3 检定测量数据表(ΔR=0.33 Ω)Table 3 Data of verification and measurement (ΔR=0.33 Ω)

从表3数据看,在点(1.80,20.00)处,实测电流为17.67 mA,绝对误差为2.33 mA,相对误差14.56%。而修正后,绝对误差为0.13 mA,相对误差0.81%,误差降低了13.75%,检定结果更加可靠。

为了直观观察实测数据、修正数据与理论标准电流数据的对比关系,利用表3的数据绘制了对比曲线见图3。从图线上能够清晰地观测检定数据的变化趋势,在此也是忽略9 000 Ω电阻值检定点。

图3 传感器检定数据对比曲线(ΔR=0.33 Ω)Figure 3 Comparison curve of sensor verification data (ΔR=0.33 Ω)

从三个电流曲线可以看出实测电流曲线偏离理论标准电流曲线,而修正电流曲线与理论电流曲线基本重合在一起。实测电流曲线偏离标准电流曲线,也是主要体现在电阻值较小的几个检定点处。

再从相对误差的角度来看,修正后的数据与标准值间的最大相对误差为0.81%,是小于电导率传感器测量精度±1% FS指标的。又由于电导率传感器是非线性的,不便于用引用误差来表征测量点的精度,实际测量中直接用相对误差与传感器精度指标对比来判断。综上可以得出传感器可以按照1.0级使用。

在实际应用中,可以选择6 mm2的镀银铜导线,将传感器感应环靠近电阻箱,则导线长度可以选定1 m以内,利用电桥测得导线电阻后使用。而且,由于每套装置选定一条导线长期使用,导线电阻值在各检定点的修正换算可以设计专用的软件来完成[13-14]。

5 结 语

引入导线电阻带来的误差和数据的修正处理都是为了减小导线电阻值引入的系统误差。通过采取对检定数据进行分段线性化处理的方式,导出导线电阻值在各个检定点的引入的正向误差值,以对测量值进行修正。这种修正可以利用计算机程序自动完成,只要输入导线的电阻值,则各个检定点的修正值就自然得出,可以依此设计电导率传感器检定装置。

根据电导率传感器检定数据修正方法对电导率传感器进行了检定测试,验证了测试数据经修正后提高了准确性,装置给出的检定结论更加真实。

文章采取两个检定点间插入测试点的三点线性修正方法,虽然与整个曲线的变化趋势还存在着差异,但带来的影响已经很小了。若采取二次曲线逼近的修正方法将能够得到更加精确的测量数据和更加准确的检定结果,使得导线电阻值引入的误差降低到最小。