測井儀器溫度性能檢測裝置的設計與開發

肖雷雷

中海油服油田技術事業部 塘沽作業公司 天津 300450

近年來，隨著國內油氣開發力度逐年加大，淺層油田已日益枯竭，現有石油開采量難以滿足對油氣資源日益增長的需求，因此超深井的勘測和開采逐漸受到石油企業的關注。測井儀器是石油行業探測井下油氣資源分布的專業設備，面臨著外部高溫環境漏熱和內部電子器件自發熱的問題。由于現有部分井內溫度已超過電子器件的最高耐受溫度125℃，在沒有其它保護措施情況下內部電子器件將因為溫度過高而導致工作異常。為解決這個問題，石油行業通常采用金屬絕熱瓶的方式對測井儀內的電子器件進行保護。

1 測井儀器溫度性能檢測裝置的開發背景

根據維保體系要求，維保人員需要按期對金屬絕熱瓶絕熱性能進行檢測，將帶有金屬絕熱瓶的被測電子線路短節放入烘箱內進行加溫，依次連接地面系統及遙傳短節，通過地面系統監測電子線路內溫度參數變化。根據SY/T 5204—1997《石油下井儀器金屬絕熱瓶通用技術條件》標準，在200℃溫度下持續加溫4個小時，絕熱瓶的溫度上升較初始狀態不超過60℃，即判定金屬絕熱瓶絕熱性能合格。

此種檢測方式需要連接一系列設備，占用大量人力物力資源，且槽式烘箱加熱方式能耗較高，因此期望能有一種攜帶便捷，能耗較低的全新測井儀器金屬絕熱瓶性能檢測裝置，以達到科學、安全、提高工作效率的目的。

2 總體方案

通過書籍、網絡、專利查詢、專業期刊等多種手段廣泛借鑒，經過小組內部集體討論，決定將數顯式溫度計、電加熱帶兩種常用設備，作為研制工作的借鑒目標，將電加熱帶裝置安裝在金屬絕熱瓶外部，使金屬絕熱瓶被均勻包裹，通電后對金屬絕熱瓶進行持續加熱，同時將一隨溫度變化電阻安裝在保溫瓶內部，實時監測瓶內的溫度變化，根據得到的不同阻值進行后續處理運算，最后通過顯示屏顯示出來，以達到實時監測瓶內溫度的目的，見圖1。每種絕熱瓶出廠時都有單位時間內溫升指標，通過對比即可判斷出絕熱瓶溫度性能的好壞。

圖1 測井儀器溫度性能檢測裝置

3 方案分級及優選

對總體方案“外加熱式金屬絕熱瓶性能檢測裝置”進行方案分級，主要分為加熱部分、檢測部分、數據處理與顯示測試盒三部分。其中加熱部分主要包括加熱源；檢測部分包括探測骨架、溫度探頭、驅動電路；數據處理與顯示測試盒部分包括處理器、顯示器、供電電源和保護罩，根據結構思路，對各部分部件做具體選取。

3.1 加熱部分

根據SY/T 5204—1997《石油下井儀器金屬絕熱瓶通用技術條件》測試方法，需要將金屬絕熱瓶置于200℃環境中，選取兩種市面上滿足此設計要求且目前應用最廣泛的兩種加熱帶進行對比。硅橡膠加熱帶在使用過程中柔軟性好，韌性強，且纏繞在金屬絕熱瓶上便于整形不易滑脫，高溫加熱無刺鼻氣味，產熱效果好。玻璃纖維加熱帶能達到同樣的產熱效果，但經過反復彎折有碎屑脫落現象，并且由于其表面光滑與金屬絕熱瓶貼合不緊密有間隙，影響加熱效果。通過以上對比分析，硅橡膠加熱帶具有升溫快、重量輕、韌性強、不易滑脫等優點，且經過評估經濟成本可接受。

3.2 檢測部分

檢測部分主要由探測骨架、溫度探頭、驅動電路三部分組成。

3.2.1 探測骨架

主要用于安裝溫度探頭和絕熱處理，由于需要適配不同尺寸的金屬絕熱瓶內徑，經過實際測量設計出四種變徑結構內徑柱。同時考慮到對金屬絕熱瓶加熱出現的熱量損失及傳導問題，對探測骨架部分采用密封性和隔熱性設計，在骨架前端設計一聚醚醚酮（PEEK）材質隔熱套，內部填充石棉，最大程度上減少絕熱瓶腔體內部熱量損失及傳導問題，從而提高測量準確性。部分金屬絕熱瓶長度較長，為了避免采集的溫度不均，在骨架前段和中段設計有兩個溫度傳感器底座以及線束溝槽，方便后期安裝。

電路板骨架部分，經過前期多次的實驗最后繪制加工電路板，結合電路板的大小，使用三維機械設計（SolidWorks）軟件進行三維制圖模擬，繪制安裝電路板骨架，并在骨架上端預留有顯示器位置，顯示器背光開關以及整個系統的電源開關。電路板的下端，設計有可開啟的18650電池倉，并預留充電接口和外接電源口，方便使用和調試。最后對圖紙的尺寸及工藝審核、校對，委托加工廠根據圖紙進行零件加工，收貨后對各部分進行測量及安裝驗收，確保滿足設計要求。

3.2.2 溫度探頭

溫度探頭采集部分考慮到瓶內溫度分布差異性，使用雙探頭采集取平均值方式進行測量，搜集到市面上幾種常見的溫度傳感器進行對比。最終確定PT100鉑電阻耐溫范圍大，可靠性強，而且溫度與輸出阻值全域成線性變化，可降低后期開發及程序控制難度，所以PT100鉑電阻為優選項。對實物進行驗證，室溫下利用烘箱進行溫度測試，烘箱溫度為200℃時PT100鉑電阻溫度為198℃，溫差為1%，滿足使用要求。

3.2.3 驅動電路

由于溫度探頭選用的為鉑電阻，其輸出為電阻值，需要將其轉化為電壓值以便進一步處理，實現這個過程主要有恒流源驅動和分壓電路驅動兩種方法。恒流源作用到可變電阻上時，產生的電壓變化線性，易于處理。同時在一些特定工況下，分壓電路耗電量會猛增，因此恒流源更合適本次設計。使用LM324芯片搭建恒流源，其原理是通過運放將基準電壓4.096V轉換為恒流源，電流流過Pt100時在其上產生壓降，再通過運放將該微弱壓降信號放大，即輸出期望的電壓信號，該信號可直接進入AD轉換芯片處理。根據虛地概念“工作于線性范圍內的理想運放的兩個輸入端同電位”，運放U1A的“+”端和“-”端電位V+=V-=4.096V；假設運放U1A的輸出腳1對地電壓為V0，根據虛斷概念，（0-V-）/R1+（V0-V-）/RPT100=0，因此電阻PT100上的壓降VPT100=V0-V-=V-*RPT100/R1，因V-和R1均不變，因此U1A電路等效為一個恒流源流過一個Pt100電阻，電流大小為V-/R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關[1]。通過計算，設計好周邊外設的電阻電容值，最后搭建出503MA輸出的恒流源。

3.3 數據處理與顯示測試盒部分

3.3.1 處理器

由于需要對溫度探頭輸出模擬信號進行數據處理并顯示，以往常用的都是51單片機處理器，使用C語言需要具有較強的編程技能，經過在市面上查找，發現一款開發簡單高效的arduino處理器，配合Mixly開發軟件，程序內置，開發可使用積木式語言，極大提高開發效率。該處理器核心為ATMELATMEGA328P-AU單片機，其有14個數字輸入/輸出端口，8個模擬輸入端口，1對TTL電平串口收發端口及6個PWM端口，支持USB下載及供電，同時支持外接5～12V直流電源供電，電源范圍寬。通過軟件編寫開發并下載模擬仿真，最終調試出符合本設計的程序備用。

3.3.2 顯示器

處理器處理后數值需要在屏幕上進行溫度顯示，在這里只需要顯示兩處采集的溫度即可，采用LCD12864顯示屏足以滿足需求，并且價格適中功耗低，開發起來也相對容易。選取LCD12864液晶顯示屏進行顯示功能仿真，尺寸大小及漢字顯示行數符合設計要求。現場測量尺寸長為93.5mm，寬為70.5mm，通過軟件開發串口輸入三行漢字“你好，米思齊”，屏幕顯示正常，再根據本設計思路，寫入需要顯示的溫度1和溫度2字符及位置，等待主控模塊的輸入信號即可。

3.3.3 供電電源

在整個設計中，需要電源供電的有溫度探頭驅動電路5V，NANO處理器5V，顯示屏5V三部分，且選取的型號都符合方便和功耗低的特性，理論上電源的選擇用兩節18650可充電電池即可，不需要外界插線同樣方便操作和攜帶。實測兩節18650電池滿電狀態為7.5V，此時選擇TL431可控精密穩壓源穩壓，它的輸入電壓用兩個電阻作為外設（其中一個為可調電阻）就可以設置從2.5V到36V范圍內的任何值，把它接到實際電路中，調節電阻就可以得到穩定且精準的+5V電壓。

整個設計的各部分組成結構見圖2所示。

圖2 測井儀器溫度性能檢測裝置結構組成

整個設計的硬件系統搭建完成后，通過使用Mixly開發軟件編程調試，使整個設計能夠穩定運行，考慮到溫度測量的準確性，結合實際需要，在程序開發過程中溫度顯示值設定在保留一位小數[2]，同時使用可調溫熱風槍設定不同檔位，對溫度探頭的測量和實際顯示進行校準，并結合工業用測溫槍，對同一發熱源進行測溫校驗，最終確定該設計的測量最大誤差在1.5%范圍內，在實際使用中能夠滿足生產需求。

4 結束語

為了驗證該溫度性能檢測裝置是否達到預期效果，完成實物搭建后，在石油儀器的維修與保養工作中，特地選取了10臺帶有保溫瓶的儀器來驗證性能，將加熱溫度設定為200℃，持續加溫4個小時后，測得瓶內溫差均在要求范圍內，符合石油行業的要求規范，證明了該裝置的可行性，該設計在實際應用中狀態穩定，能夠直觀測得溫度并判斷出測井儀器金屬絕熱瓶的性能好壞，對日常維修和保養工作具有指導意義。