综合录井仪电导率传感器现场检定装置设计

刘开绪，吴春梅，马骏驰，郝 健，王冰茜

(1.大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆 163712；2.大庆油田物资公司采油设备分公司,黑龙江大庆 163318； 3.大庆油田第一采油厂地质工艺队,黑龙江大庆 163318)

0 引言

随着勘探工作的深入，为了适应海外钻井、外围钻井及“快速、高效”连续钻井的需要，对综合录井仪测量数据的准确性越来越重视，凸显传感器现场检定工作的重要性[1-4]。

综合录井仪电导率传感器是电感式电导率传感器，如SK-8D08电导率传感器，其工作温度-40～+70 ℃、测量范围0～300 mS/cm、输出信号4～20 mA、测量精度为±1%FS，电导率传感器是用来测量钻井液电导率的重要仪表[5]。

由于外围探区设备不具备回迁条件，综合录井仪传感器年度检定工作难以落实，为了适应严酷的运输条件、苛刻的工作环境，实现便携式、高性能现场检定，需要规划设计现场检定装置，设计小型化、便携式现场传感器检定装置，确保综合录井仪更好地发挥作用尤为重要[6-7]。

1 检定原理

电导率传感器的工作原理是采用原级和次级2个磁环绕组并列安装在同一轴线上，原级绕组为发射线圈，次级绕组为接收线圈。当传感器探测头孔通过有一定导电能力的钻井液而感应，这样在原级线圈中通有20 Hz的交变电流时，原级线圈磁环中的交变磁通能够使经过传感器探测头孔而使呈现闭合状态钻井液产生交变电流。该交变电流同时也产生交变磁场，这交变磁场又使次级线圈感应出交变电势。次级感应出的交变电势信号经电路处理后，送出电导率参数的检测信号。电导率变送器对传感器信号进行整形、放大处理，输出与电导率对应的4～20 mA的标准直流电流信号。

为了检定电导率传感器，利用标准电阻箱穿过传感器感应环构成的回路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。不同厂家生产的电导率传感器，其各自的参数是有区别的，表1、表2给出了不同厂家的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

表2 电导率传感器标准电阻-电流数据对应表

对传感器进行检定，只要按照表1或表2的检定数据进行测试、记录及数据处理即可。根据电导率传感器工作原理可知，传感器感应环内液体导电率的不同，即给传感器检定回路施加不同电阻值，传感器就会输出不同的电流信号，故采用标准电阻箱(0.01 Ω～10 kΩ)代替导电液，传感器输出电流用精密电流表进行显示，图1给出了电导率传感器检定装置组成原理图。

图1 100 A可调电流叠加自动控制方案

连接导线穿过电导率传感器的感应环后接在标准电阻箱的接线柱上形成闭合回路，人为地将标准交/直流电阻箱6个拨盘分别对应的数值输入到六位阻值录入显示表上，电导率传感器输出二线制4～20 mA的标准直流电流信号接到高精度电流显示表上，电流显示表和电阻值录入显示表分别通过各自的RS485端口通过RS485集线器连接到测试装置内部的MSP430F169单片机集中控制单元，在按动确认发送按钮时，集中控制单元将准备好的数据通过发送天线发送给上位机。

2 检定装置硬件设计

标准电阻箱选用ZX32机械式0.01级标准交/直流电阻箱，电阻值的切换易于采用手动选择。为此，设计的检定装置包含上位机及软件、测试装置两部分。而测试装置又包含面板上的阻值录入显示表、电流显示表、确认发送按钮、标准电阻箱等，及测试装置内部的集线器、集中控制单元、WiFi串口透传模块等，图2是电导率传感器检定系统原理框图。电流显示表选择0～199.99 mA显示的四位半表。

图2 电导率传感器检定系统原理框图

2.1 阻值录入显示表设计

上位机同时肩负着其他类型传感器检定的测控及数据接收和处理任务，其与各类传感器检定装置采取的是无线通信，上位机距离各类传感器检定装置是存在一定的距离的。为了减少人力，而又提高检定效率，设计了六位数显的电阻值录入显示表。

该电阻值录入显示表面板上有MENU、LEFT、RIGHT、UP、DOWN、ENTER 6个按键，和6位LED数码显示，利用STC89C52设计，备有RS485通讯接口，图3是阻值录入显示表流程图。

图3 阻值录入显示表流程图

按下“MENU”键进入显示数据的修改状态，修改位闪烁，按下“LEFT”或“RIGHT”进行修改位的向左或向右移位，且循环移位；按下“UP”或“DOWN”进行修改位的“+1”或“-1”循环操作；按下“ENTER”或设定的延时时间到，则将一组显示的数据通过RS485传送给MSP430F169单片机集中控制单元，设定的串行发送速率9 600 bit/s。

该阻值录入显示表就是为了能将6位拨盘电阻对应的数值加以显示，并通过RS485通讯功能将显示的数据传送给主控单片机。

2.2 传感器检定装置硬件单片机程序设计

集中控制单元采用MSP430F169单片机作为主芯片，程序流程图见图4。

图4 单片机程序流程图

集中控制单元程序初始化后自动采集电阻录入显示表数据和电流显示表数据，当按下“发送确认”按钮后，将准备好的数据通过WiFi串口服务器发送给上位机。每次数据发送结束之后，自动进入到数据采集环节，确保变化的数据能够及时发送[8-11]。

接收端的上位机配以无线路由器以接收检定装置硬件发送来的数据信息，上位机软件按照规则处理对应的数据。

3 检定装置软件设计

3.1 系统误差正向补偿

从表1得知电阻值1.8 Ω时传感器输出电流20 mA，1.8 Ω的电阻值已经是比较小的，但连接导线用的电阻值也会在零点零几Ω到0.1 Ω之间，这一电阻值会对检定点的数据带来系统误差。

为了减小导线电阻对测量带来系统误差的影响，可以把待检定的电导率传感器靠近电阻箱，也可以使用线径粗的导线、性能好的导线，这样可以减少导线的电阻值，但无论如何还是不能消除导线电阻值带来的误差。

导线电阻值带来的误差属于系统误差，是可以修正的。以表1的数据为例，绘制了图5，为了清晰地观测曲线的变化趋势，图中忽略了电阻值9 000 Ω的检定点数据。

图5 电导率传感器标准电阻值-电流曲线

从图5可以看出，在对应横坐标1.8 Ω处，当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值采取区间线性修正法，在检定点处进行正向修正[12-16]。

当检定点电阻值超过28.8 Ω之后，导线电阻值对电导率传感器输出电流值影响逐渐变小；当检定点电阻值超过9 000 Ω之后，导线的电阻对测量影响，可以忽略不计。

依据三点共线，采取区间线性修正法。由已知的两点坐标确定线段的斜率，再根据(R+ΔR)电阻值求得对应电流值I，并与标准值比较求误差值。

认为点(R+ΔR，I)在(1.8，20)和(2.4，16)线段上，依据三点共线，由已知的两点坐标确定线段的斜率，再根据(R+ΔR)电阻值求得对应电流值。

(1)

式中：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。

带入数据，可求ΔI值，即：

(2)

在检定点(1.8，20)处，对应导线电阻值ΔR=0.12 Ω，则对应电流值修正值为ΔI=0.80 mA。

从上面的推导结果可以看出检定点(14.4，6)处的修正值已经很小，检定点(28.8,5)处的修正值会更加接近于0，在此没有推导。采用三点线性修正法是在考虑电导率传感器精度的情况下进行的，完全能够满足工程需要。若采取二次曲线逼近的修正方法将能够使得导线引入的误差降低到最小，得到更加准确的检定结果。

根据上面推导的修正公式，可以利用上位机软件对检定数据进行修正处理。

3.2 软件界面设计

系统软件的功能是利用传感器的参数信息和检定的数据对传感器的精度等级做出判断，给出检定结论。

软件规划为“信息”窗口、“采集”窗口和“查询”窗口。

“信息”窗口界面规划包含检定用标准器具名称、检定依据、环境参数、待检传感器外观检查等；

“采集”窗口规划有导线电阻值的录入“接入电阻”，和装置硬件发送来的电阻值、电流值数据显示条，及一组数据的修正和误差处理等，对比传感器的精度和数据处理误差给出传感器满足精度指标的判定结论，生成检定证书。“接入电阻”值被带入到修正公式之中完成对应点误差的修正。

“查询”窗口提供检定数据的查询功能，可以按照报告编号、器具名称、检测日期进行查询。

4 应用测试及数据分析

按照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。利用所设计的电导率传感器检定装置对电导率传感器进行检定，在检定前，利用万能电桥测得所用导线的电阻值ΔR=0.12 Ω。实测值、测试数据及处理结果见表3。

表3 检定测量数据表(ΔR=0.12 Ω)

表3中，正向修正电流对应于导线电阻值在各个检定点处的修正值，修正后电流值等于实测电流加上正向修正电流。图6给出了传感器检定数据与理论数据的对比曲线。

图6 电导率传感器检定系统原理框图

从图3可以看出，实测电流曲线偏离标准电流曲线，而修正值曲线与标准电流曲线基本重合在一起了。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。而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0.5%，得出传感器可以按照1.0级使用。

5 结束语

通过电导率传感器的工作原理分析设计了传感器检定装置硬件部分，分析了检定导线电阻值引入系统误差的趋势，利用三点式线性修正减小了系统误差，规划了上位机软件界面等，完成了检定装置的整体设计，并进行了检定应用验证，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。

由于该装置具备体积小、质量轻，适合搬运，而且测试装置与上位机间的信号传输采用无线方式，使得检定装置便于与其他同类传感器检定装置组合应用，公用同一台上位机分时检测[17-19]。装置经过两年多的现场应用验证了装置的实用性。