高精度高温度测量仪的设计及应用

陈仁才，陈红

(重庆地质仪器厂，重庆 400033)

高精度高温度测量仪的设计及应用

陈仁才，陈红

(重庆地质仪器厂，重庆 400033)

本文介绍一种温度测量仪(又称温度探测仪)的设计及应用。这种温度测量仪具有高精度、高灵敏度、宽温度测量范围，宽输入电压、低功耗工作等特点，可广泛应用于对温度测量要求较高的工业控制、钻井孔工程、地热等勘察施工领域。

精度；灵敏度；温度；地热；勘察

1 概述

在工业控制中常常需要对温度作精确、高可靠性测量；在钻井孔地热勘察中不仅需要对地层作自然γ、视电阻率、自然电位等测量以及盐化实验来进行地层分层解释、含水层位置确定，更需要对温度作精确测量以便对钻孔中地层水的温度高低进行划分，寻找目的地层以便指导后续地热资源的开发、利用。然而在现实生活中一般温度测量仪器当环境温度大于75℃时仪器便不能工作，有的仪器即使工作，温度测量也会产生较大偏差。

本文主要以一种温度测量探管为例来介绍这种高精度、高灵敏度、宽温度测量范围的温度测量仪(探管)的设计、刻度及其应用领域。

2 设计思路

整个仪器设计选择采用工作温度≥125℃的特殊电子元器件，这些器件具有工作环境温度高、温漂小、精度高、长期工作稳定可靠等特点。

2.1 温度传感器的选择

温度测量一般选用Pt(铂)电阻作温度传感器。本仪器采用Pt100经特殊工艺加工制成温度传感器，它对温度变化能瞬时作出反应，且其电阻值与温度有稳定的相关性，即任一温度下都有其直接对应的电阻值(见表1)。

2.2 温度测量电路设计

如图1将Pt温度传感器(图中Rp)接入电桥线路中，当温度发生变化将引起后续放大器输入端电压发生变化，通过精密放大器信号放大、处理后可供续电路数据采集器。

表1 温度和电阻值的关系

图1 温度测量电路原理示意图

2.3 电源设计

电源设计采用低温漂、低纹波、高稳定性电源模块[1]。当温度从-10℃增加到120℃，模块输出电压变化≤0.5‰，当输入电压从15V变到59V时低电压输出变化≤1.0‰，电压纹波≤20mV。

2.4 数据采集及数据传输电路设计

数据采集、传输通过微处理器控制下完成。温度变化引起的精密放大器电压输出经高精度16位A/D模数转换，得到的数字量经微处理器处理后采用RS232方式向外数据传输。

3 温度测量仪(探管)特点、使用范围及技术指标

3.1 温度测量仪特点及使用范围

温度测量仪具有高精度、高灵敏度、宽温度测量范围、高可靠性、宽输入电压、低功耗以及体积小、重量轻等特点。它可分别应用于有电缆、无电缆的钻孔中进行地层温度精确测量，为钻井地热勘察及地热资源开采、利用以及工程勘察等提供可靠资料。特别是当探管所处环境温度达到100℃以上，一般测温探管以及部分测井电缆便无法工作，这时可采用由这种温度测量仪设计而成的无缆温度测量仪(≤120℃)便可完成此项测量工作。

3.2 温度测量仪技术指标

在满足人民需求和推动工业发展方面，农业都发挥着极其重要的作用。现代农业最显著的标志是机械化，但现代农业不仅仅是在农业生产中运营机械设备，还体现在保护自然生态和可持续发展等对待自然生态和发展关系的态度方面。建设生态文明社会，需要发展对自然生态环境更为友好的农业。农田水利现代化建设有助于提高资源利用效率，促使人与自然和谐相处，是发展现代农业的重要手段。

输入电压Vi：VDC 15～150V

工作电流Ii：≤50mA

外径尺寸 ：Φ40×500mm

质量：2.00kg(可加重锤)

承受压力 ：20MPa

感温时间：≤3s

温度测量范围：-6～120℃

温度测量灵敏度：≤0.015℃

4 温度测量仪(探管)温度试验

4.1 仪器刻度(标定)试验

将探管整体浸入油箱中逐步加热，当油箱中油的温度(T)升到一定数值且稳定一会后读取探管输出对应的数值(X)，见表2。

表2 油箱中油温与对应探管输出数值

将温度T与对应数值X进行一元二次拟合回归得到如下公式：

T=-6.15+0.01295×X+0.0000003×X×X

从表2可见：探管可测量最低温度为-6.15℃，最高温度为120℃，温度测量相对误差≤0.2%。

说明：可通过调整图1中R1、R2或后续放大器的放大倍数将温度测量仪的测温度范围调整到-10～120℃。

4.2 温度测量仪(探管)工作稳定性试验

将探管整体放入油箱中加热到某一温度后保持油箱中油的温度不变(如40℃)，每过2h读取温度(T)与探管输出对应数值(X)，进行8h探管温度测量稳定性试验。测试结果见表3。

表3 温度测量仪8h工作稳定性试验(工作环境温度40℃)

从表3可见：此探管温度测量最大相对误差<±0.2%，说明探管8小时温度测量稳定、可靠。

从上述3.1、3.2的试验中还发现：①油箱中油的加热过程受油箱温控器控制，油的温度读取来自温控器温度，可能有偏差；②试验时当温度变化，温度测量仪中输出的数字量是按数字1逐渐发生变化，因此由公式便可得出温度测量仪的测温灵敏度≤0.015℃。

5 结语

高温条件下的高精度、高可靠性、小口径温度测量仪因其功耗低、体积小、重量轻、成本低，可广泛应用于现实生活中当环境温度较高或对温度测量要求较高的工业控制以及钻井中工程测井、地热勘察等领域，尤其是对环境温度达100℃以上的钻孔，采用这种温度测量仪设计而成的无缆温度测量仪便能发挥更好的作用。

[1] 陈仁才, 阳林锋. 新型稳压电源模块设计及其在物探测井设备中的应用[J]. 地质装备,2015(1):21-23.

2015-03-15

陈仁才，男，1987年毕业于成都地质学院三系放射性物探专业，98年获高级电子工程师，毕业后长期从事放射性物探仪器、大功率激电仪发送机、综合地球物理测井井下探管等的仪器设计及方法研究工作，参与并负责多项国家重大项目中井下测井探管的设计工作，Tel：13101362800，E-mail：cqcrc@163.com；陈红，女，1988年毕业于重庆机器制造学校模具专业，长期从事物探仪器的模具、仪器箱体等机械设计工作。

P631.33

A

1009-282X(2015)05-0026-02