测井仪器温度性能检测装置的设计与开发

肖雷雷

中海油服油田技术事业部 塘沽作业公司 天津 300450

近年来，随着国内油气开发力度逐年加大，浅层油田已日益枯竭，现有石油开采量难以满足对油气资源日益增长的需求，因此超深井的勘测和开采逐渐受到石油企业的关注。测井仪器是石油行业探测井下油气资源分布的专业设备，面临着外部高温环境漏热和内部电子器件自发热的问题。由于现有部分井内温度已超过电子器件的最高耐受温度125℃，在没有其它保护措施情况下内部电子器件将因为温度过高而导致工作异常。为解决这个问题，石油行业通常采用金属绝热瓶的方式对测井仪内的电子器件进行保护。

1 测井仪器温度性能检测装置的开发背景

根据维保体系要求，维保人员需要按期对金属绝热瓶绝热性能进行检测，将带有金属绝热瓶的被测电子线路短节放入烘箱内进行加温，依次连接地面系统及遥传短节，通过地面系统监测电子线路内温度参数变化。根据SY/T 5204—1997《石油下井仪器金属绝热瓶通用技术条件》标准，在200℃温度下持续加温4个小时，绝热瓶的温度上升较初始状态不超过60℃，即判定金属绝热瓶绝热性能合格。

此种检测方式需要连接一系列设备，占用大量人力物力资源，且槽式烘箱加热方式能耗较高，因此期望能有一种携带便捷，能耗较低的全新测井仪器金属绝热瓶性能检测装置，以达到科学、安全、提高工作效率的目的。

2 总体方案

通过书籍、网络、专利查询、专业期刊等多种手段广泛借鉴，经过小组内部集体讨论，决定将数显式温度计、电加热带两种常用设备，作为研制工作的借鉴目标，将电加热带装置安装在金属绝热瓶外部，使金属绝热瓶被均匀包裹，通电后对金属绝热瓶进行持续加热，同时将一随温度变化电阻安装在保温瓶内部，实时监测瓶内的温度变化，根据得到的不同阻值进行后续处理运算，最后通过显示屏显示出来，以达到实时监测瓶内温度的目的，见图1。每种绝热瓶出厂时都有单位时间内温升指标，通过对比即可判断出绝热瓶温度性能的好坏。

图1 测井仪器温度性能检测装置

3 方案分级及优选

对总体方案“外加热式金属绝热瓶性能检测装置”进行方案分级，主要分为加热部分、检测部分、数据处理与显示测试盒三部分。其中加热部分主要包括加热源；检测部分包括探测骨架、温度探头、驱动电路；数据处理与显示测试盒部分包括处理器、显示器、供电电源和保护罩，根据结构思路，对各部分部件做具体选取。

3.1 加热部分

根据SY/T 5204—1997《石油下井仪器金属绝热瓶通用技术条件》测试方法，需要将金属绝热瓶置于200℃环境中，选取两种市面上满足此设计要求且目前应用最广泛的两种加热带进行对比。硅橡胶加热带在使用过程中柔软性好，韧性强，且缠绕在金属绝热瓶上便于整形不易滑脱，高温加热无刺鼻气味，产热效果好。玻璃纤维加热带能达到同样的产热效果，但经过反复弯折有碎屑脱落现象，并且由于其表面光滑与金属绝热瓶贴合不紧密有间隙，影响加热效果。通过以上对比分析，硅橡胶加热带具有升温快、重量轻、韧性强、不易滑脱等优点，且经过评估经济成本可接受。

3.2 检测部分

检测部分主要由探测骨架、温度探头、驱动电路三部分组成。

3.2.1 探测骨架

主要用于安装温度探头和绝热处理，由于需要适配不同尺寸的金属绝热瓶内径，经过实际测量设计出四种变径结构内径柱。同时考虑到对金属绝热瓶加热出现的热量损失及传导问题，对探测骨架部分采用密封性和隔热性设计，在骨架前端设计一聚醚醚酮（PEEK）材质隔热套，内部填充石棉，最大程度上减少绝热瓶腔体内部热量损失及传导问题，从而提高测量准确性。部分金属绝热瓶长度较长，为了避免采集的温度不均，在骨架前段和中段设计有两个温度传感器底座以及线束沟槽，方便后期安装。

电路板骨架部分，经过前期多次的实验最后绘制加工电路板，结合电路板的大小，使用三维机械设计（SolidWorks）软件进行三维制图模拟，绘制安装电路板骨架，并在骨架上端预留有显示器位置，显示器背光开关以及整个系统的电源开关。电路板的下端，设计有可开启的18650电池仓，并预留充电接口和外接电源口，方便使用和调试。最后对图纸的尺寸及工艺审核、校对，委托加工厂根据图纸进行零件加工，收货后对各部分进行测量及安装验收，确保满足设计要求。

3.2.2 温度探头

温度探头采集部分考虑到瓶内温度分布差异性，使用双探头采集取平均值方式进行测量，搜集到市面上几种常见的温度传感器进行对比。最终确定PT100铂电阻耐温范围大，可靠性强，而且温度与输出阻值全域成线性变化，可降低后期开发及程序控制难度，所以PT100铂电阻为优选项。对实物进行验证，室温下利用烘箱进行温度测试，烘箱温度为200℃时PT100铂电阻温度为198℃，温差为1%，满足使用要求。

3.2.3 驱动电路

由于温度探头选用的为铂电阻，其输出为电阻值，需要将其转化为电压值以便进一步处理，实现这个过程主要有恒流源驱动和分压电路驱动两种方法。恒流源作用到可变电阻上时，产生的电压变化线性，易于处理。同时在一些特定工况下，分压电路耗电量会猛增，因此恒流源更合适本次设计。使用LM324芯片搭建恒流源，其原理是通过运放将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放将该微弱压降信号放大，即输出期望的电压信号，该信号可直接进入AD转换芯片处理。根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端和“-”端电位V+=V-=4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压为V0，根据虚断概念，（0-V-）/R1+（V0-V-）/RPT100=0，因此电阻PT100上的压降VPT100=V0-V-=V-*RPT100/R1，因V-和R1均不变，因此U1A电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V-/R1，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关[1]。通过计算，设计好周边外设的电阻电容值，最后搭建出503MA输出的恒流源。

3.3 数据处理与显示测试盒部分

3.3.1 处理器

由于需要对温度探头输出模拟信号进行数据处理并显示，以往常用的都是51单片机处理器，使用C语言需要具有较强的编程技能，经过在市面上查找，发现一款开发简单高效的arduino处理器，配合Mixly开发软件，程序内置，开发可使用积木式语言，极大提高开发效率。该处理器核心为ATMELATMEGA328P-AU单片机，其有14个数字输入/输出端口，8个模拟输入端口，1对TTL电平串口收发端口及6个PWM端口，支持USB下载及供电，同时支持外接5～12V直流电源供电，电源范围宽。通过软件编写开发并下载模拟仿真，最终调试出符合本设计的程序备用。

3.3.2 显示器

处理器处理后数值需要在屏幕上进行温度显示，在这里只需要显示两处采集的温度即可，采用LCD12864显示屏足以满足需求，并且价格适中功耗低，开发起来也相对容易。选取LCD12864液晶显示屏进行显示功能仿真，尺寸大小及汉字显示行数符合设计要求。现场测量尺寸长为93.5mm，宽为70.5mm，通过软件开发串口输入三行汉字“你好，米思齐”，屏幕显示正常，再根据本设计思路，写入需要显示的温度1和温度2字符及位置，等待主控模块的输入信号即可。

3.3.3 供电电源

在整个设计中，需要电源供电的有温度探头驱动电路5V，NANO处理器5V，显示屏5V三部分，且选取的型号都符合方便和功耗低的特性，理论上电源的选择用两节18650可充电电池即可，不需要外界插线同样方便操作和携带。实测两节18650电池满电状态为7.5V，此时选择TL431可控精密稳压源稳压，它的输入电压用两个电阻作为外设（其中一个为可调电阻）就可以设置从2.5V到36V范围内的任何值，把它接到实际电路中，调节电阻就可以得到稳定且精准的+5V电压。

整个设计的各部分组成结构见图2所示。

图2 测井仪器温度性能检测装置结构组成

整个设计的硬件系统搭建完成后，通过使用Mixly开发软件编程调试，使整个设计能够稳定运行，考虑到温度测量的准确性，结合实际需要，在程序开发过程中温度显示值设定在保留一位小数[2]，同时使用可调温热风枪设定不同档位，对温度探头的测量和实际显示进行校准，并结合工业用测温枪，对同一发热源进行测温校验，最终确定该设计的测量最大误差在1.5%范围内，在实际使用中能够满足生产需求。

4 结束语

为了验证该温度性能检测装置是否达到预期效果，完成实物搭建后，在石油仪器的维修与保养工作中，特地选取了10台带有保温瓶的仪器来验证性能，将加热温度设定为200℃，持续加温4个小时后，测得瓶内温差均在要求范围内，符合石油行业的要求规范，证明了该装置的可行性，该设计在实际应用中状态稳定，能够直观测得温度并判断出测井仪器金属绝热瓶的性能好坏，对日常维修和保养工作具有指导意义。