工程用井中溫度測量儀的研制及應(yīng)用*

吳 鵬 耿麗霞 路 杰 鄭 勇

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學(xué)儀器研究院，武漢 430071 3)黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，哈爾濱150027)

工程用井中溫度測量儀的研制及應(yīng)用*

吳 鵬1，2)耿麗霞3)路 杰1，2)鄭 勇1，2)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學(xué)儀器研究院，武漢 430071 3)黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，哈爾濱150027)

根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一款井溫測量儀，該儀器采用感溫原理和數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)工地現(xiàn)場的井溫測量以及數(shù)據(jù)處理。并將溫度測量儀與井溫測量方法相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了比較可靠的井溫測量。

地鐵;勘探孔;井溫;溫度測量儀;地溫物探

1 引言

在一些工程項(xiàng)目中，需要測量地表淺層的溫度，并要求測量深度能夠達(dá)到100 m，而傳統(tǒng)的溫度測量儀一般都是進(jìn)行近距離測量，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度測量，為了滿足井溫測量項(xiàng)目要求，必須使用能進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量的溫度測量儀。因此，在傳統(tǒng)溫度測量儀無法使用的情況下，我們在充分考慮到井溫測量儀的關(guān)鍵技術(shù)難度以及實(shí)現(xiàn)難度的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。考慮到在野外工作溫度探頭容易損壞以及節(jié)約成本，采用負(fù)溫度系數(shù)敏感度高、一致性好、成本低易封裝的9014晶體管作為溫度傳感器，制作高精度的恒流源，使流過PN結(jié)的電流恒定，測量PN結(jié)上的電壓差，從而得到溫度的變化［1］。目前，該井溫測量儀已經(jīng)應(yīng)用于武漢地區(qū)地鐵1～8號線的勘探孔的井溫測量中，應(yīng)用效果較好。

2 井溫測量儀系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

PN結(jié)溫度傳感器是一種新型半導(dǎo)體敏感器件，它是一種負(fù)溫度系數(shù)溫度-電壓轉(zhuǎn)換器件。它兼有熱電耦、鉑電阻、熱敏電阻的各自優(yōu)點(diǎn)，又克服了這些傳統(tǒng)測溫器件難以克服的某些固有缺陷，它靈敏度比熱電耦K分度高出50倍，線性度優(yōu)于熱敏電阻30倍，響應(yīng)速度比一般鉑電阻快20倍以上。它體積小，響應(yīng)速度快，線性度好，是常溫內(nèi)比較理想的感溫器件。

二極管特性與溫度有很大關(guān)系，當(dāng)二極管的正向電壓和當(dāng)晶體管的集電極-發(fā)射極之間流過一定的電流時(shí)，基極-發(fā)射極間的電壓均隨溫度發(fā)生變化，PN結(jié)溫度每改變1度，則PN結(jié)的電壓約變化2 mV。PN結(jié)正向壓降隨著溫度T的上升而下降，近似線性關(guān)系。因此，利用電壓對溫度的依賴關(guān)系制成PN結(jié)溫度傳感器。硅晶體管可作為測量-50～100℃溫度范圍的溫度傳感器，其精度為正負(fù)1%。如圖1為硅PN結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系曲線［2，3］。

圖1 硅PN結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系Fig.1 Relation between forward voltage of silicon PN junction and temperature

本文所介紹的井溫測量儀的主要測量原理是根據(jù)晶體管的PN結(jié)電阻隨著溫度的變化會(huì)產(chǎn)生線性變化，因此，通過制作高精度、高穩(wěn)定度的恒流源來保證流過晶體管的PN結(jié)的電流恒定，測量PN結(jié)上的電壓差來實(shí)現(xiàn)溫度的測量。井溫測量儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

在整個(gè)系統(tǒng)中，電源部分采用12V/1.3Ah的蓄電池進(jìn)行供電，體積小，持續(xù)使用時(shí)間長。該電源輸出紋波系數(shù)小，具有很好的穩(wěn)定度。在晶體管的選擇上，通過選擇具有負(fù)溫度系數(shù)、敏感度高、一致性好的晶體管作為溫度傳感器，與此同時(shí)，為了減小和消除測量電纜的損耗對測量結(jié)果的影響，我們設(shè)計(jì)了毫安級的高精度恒流源。恒流源部分，采用的是高精度高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓芯片作為恒壓輸出，系統(tǒng)采用 AD584作為電壓基準(zhǔn)，其溫度飄移為5 ppm/℃。溫度顯示方面，采用四位半的數(shù)字表頭對采樣電阻兩端電壓進(jìn)行測量，并顯示當(dāng)前測量的電壓值，通過選擇數(shù)字表頭的量程檔位實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所測溫度的顯示，該井溫測量儀的分辨力可以達(dá)到0.01℃、精度為0.1℃(采用量程為100℃，精度為0.01℃的酒精溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定)。整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低，攜帶方便，工作穩(wěn)定度和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 井溫測量儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block chart of well temperature measuring instrument’s structure

3 儀器探頭選取及溫度標(biāo)定

在實(shí)際的工程井溫測量中，測溫探頭一般都是深埋數(shù)十米井下，并用沙土進(jìn)行填實(shí)。因此，溫度測量工作結(jié)束后，探頭回收比較困難。同時(shí)，按甲方要求，同一口勘探孔，需要對不同深度的溫度進(jìn)行測量，此時(shí)需要布置數(shù)個(gè)探頭進(jìn)行測量。因此，選擇價(jià)格比較低廉的晶體管PN結(jié)作為溫度傳感器。為了保證溫度測量的可靠性和準(zhǔn)確性，選取溫度特性一致性比較好的晶體管作為一組，最大程度地消除探頭固有特性偏差對溫度測量造成的影響。

探頭選取：在大量晶體管中挑選放大倍數(shù)一致性比較好的晶體管作為一組，并分別進(jìn)行標(biāo)號，然后采用環(huán)氧樹脂將PN結(jié)封裝在薄金屬套管內(nèi)。使其達(dá)到絕緣密封、導(dǎo)熱、防水的效果［4］。

井溫儀標(biāo)定：在室溫環(huán)境下，分別在冰水混合物以及沸水中對選取的探頭進(jìn)行溫度標(biāo)定，并記錄下每個(gè)探頭對應(yīng)溫度的電壓輸出值。最后在恒溫槽中，設(shè)定溫度為36℃，對溫度探頭進(jìn)行進(jìn)一步的溫度標(biāo)定，同時(shí)記錄下此時(shí)所測的溫度數(shù)據(jù)。最后在數(shù)據(jù)處理中選取冰水混合物及36℃兩個(gè)點(diǎn)分別取平均值，確定探頭輸出電壓值隨溫度變化的斜率K，則根據(jù)公式K=(U-U0)/(T-T0)(其中，T為所需的溫度數(shù)據(jù)，T0為0℃的溫度，U為PN結(jié)兩端電壓，U0是溫度為0℃時(shí)，PN結(jié)兩端的電壓，K為PN結(jié)輸出電壓隨溫度變化的斜率)，即可得到溫度數(shù)據(jù)。

測量誤差：本系統(tǒng)分別在冰水混合物中0℃、35.9℃、20℃、14℃及98℃等5個(gè)溫度點(diǎn)(基本函蓋了應(yīng)用溫度范圍)進(jìn)行了測量，經(jīng)過分析，實(shí)際測量溫度與酒精溫度計(jì)比照溫度誤差平均值不超過0.1℃，滿足地溫測量要求。

4 井溫儀的實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)武漢市政工程的要求，我們于2009年12月16日在武昌區(qū)紫陽湖附近的一地鐵標(biāo)段的兩口FtJz4-III09-FS-7號和FtJz4-III09-FS-13號勘探井進(jìn)行井溫測量。具體測量方法如下：

1)每鉆孔所用6根電纜的長度，與設(shè)計(jì)要求測量的6個(gè)深度相應(yīng)，每根電纜下端與探頭相接，為了確保有良好的防水密封性能，接頭處均用環(huán)氧樹脂密封。

2)當(dāng)溫度傳感器(探頭)被送到鉆孔中的相應(yīng)深度后，隨即測量其是否處于正常工作狀態(tài)，得到確認(rèn)后再用細(xì)砂填埋到井口。當(dāng)對鉆井填埋好后，分別對兩口鉆井溫度進(jìn)行測量，再次確認(rèn)探頭在埋砂過程中未被損壞。

3)當(dāng)認(rèn)為地溫基本處于平衡狀態(tài)，在埋砂后的第四天、第六天和第八天均對兩孔的不同深度各測兩組數(shù)據(jù)取其平均值。

按照上述測量方法，將兩個(gè)孔的溫度探頭部署完畢后，分別以間隔如步驟(3)所提到的時(shí)間對孔溫進(jìn)行測量。

測量獲得兩個(gè)鉆孔不同深度的地溫測量結(jié)果如表1和表2所示(其中12月16日為埋土當(dāng)天實(shí)測值，12月20日、22日、24日為井溫處于平衡狀態(tài)時(shí)的實(shí)際值)。

圖3為FtJz4-III09-FS-7號孔的地溫測量結(jié)果，14～29 m均處于恒溫層范圍，恒溫層溫度約為21℃ 。從圖3可發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tJz4-III09-FS-7號孔，17.23 m深處比恒溫層溫度(21℃)低0.46℃，分析其原因可能是因?yàn)槭堑叵滤顒?dòng)所致;25 m深處也是同樣的原因造成溫度較低。

表1 FtJz4-III09-FS-7號孔溫度實(shí)測值Tab.1 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-7 hole

表2 FtJz4-III09-FS-13號孔溫度實(shí)測值Tab.2 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-13th hole

圖4為FtJz4-III09-FS-13號孔的地溫測量結(jié)果。從圖 4可知，F(xiàn)tJz4-III09-FS-13號孔，25.08 m及28.08 m深處分別比恒溫層溫度(21℃)低0.46℃和0.71℃，分析其原因，我們認(rèn)為是地下水活動(dòng)，降低了溫度(后經(jīng)證實(shí)，該孔確有漏水)，而29 m深處，地下水活動(dòng)的影響比小，故溫度又趨近于21℃，地下水的補(bǔ)給有可能來自紫陽湖，且兩孔溫度降低的深度大致相等。

圖3 FtJz4-III09-FS-7號孔溫度實(shí)測曲線Fig.3 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-7 hole

圖4 FtJz4-III09-FS-13號孔溫度實(shí)測曲線Fig.4 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-13th hole temperature

5 結(jié)論

本井溫測量儀已經(jīng)用于武漢地區(qū)1～8號線勘探孔的溫度測量，測量結(jié)果能比較客觀、真實(shí)地反映勘探孔的溫度情況。

1 W.H.弗特爾，朱德一.井下溫度對地層評價(jià)的影響［J］.測井技術(shù)，1980，(1)：27-33.

2 方俊鑫，陸棟.固體物理學(xué)(下冊)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

3 陳水橋.PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究和應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2000，20(7)：7-9.

4 張維新.半導(dǎo)體傳感器［M］.天津：天津大學(xué)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

吳鵬，男，1985年生，碩士，助理工程師，主要從事智能儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究.E-mail：beloved_Wupeng@126.com

TH762

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