基于铂电阻传感器的动态特性试验研究_王明吉.pdf

收稿日期:2022 09 27第一作者:王明吉(1963)，男，黑龙江大庆人，博士，教授，主要研究领域是光电检测及信息处理技术。E mail:wmjhlj163 com基于铂电阻传感器的动态特性试验研究王明吉1，沈强1，许超2，董林瑜3，王庆4，刘彦昌1，陈显4，尤立忠4，宋洁4，张清胧4(1 东北石油大学 物理与电子工程学院，黑龙江 大庆 163318;2 中国石油新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000;3 中国石油大港油田 离退休管理中心第一服务分中心，天津 300280;4 中国石油天然气股份有限公司大港油田分公司测试分公司，天津 300451)摘要:由于热电阻测温法的测温精度高、稳定性好、测温范围广，被广泛应用于油田勘探开发中，但该测温方法常因传感器自身材料属性的原因对测温的实时性造成影响。该文以油田井温测井中常用的铂热电阻为研究对象，根据热力学定律，利用测井软件 warrior 及多路温度测试仪(安柏AT4204)，完成了对铂热电阻动态响应过程的记录，实现了实验数据的自动采集;再利用 MATLAB 软件将实验数据进行处理，得出铂热电阻在不同温度、不同直径及不同长度下的感温时间常数的数学模型。在保证测量精度的情况下，为以后在测井过程中优化测速提供必要的数据支持和理论指导。关键词:热力学;铂热电阻;MATLAB;感温时间常数;数学模型中图分类号:TH811;TE937文章编号:1000 0682(2023)02 0041 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 008Experimental study on dynamic characteristics based on platinum resistance sensorWANG Mingji1，SHEN Qiang1，XU Chao2，DONG Linyu3，WANG Qing4，LIU Yanchang1，CHEN Xian4，YOU Lizhong4，SONG Jie4，ZHANG Qinglong4(1 School of Physics and Electronic Engineering，Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318，China;2 PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Xinjiang Karamay 834000，China;3 The First Service Branch of the etirement Management Center of PetroChina Dagang Oilfield，Tianjin 300280，China;4 Testing Branch of PetroChina Dagang Oilfield Company，Tianjin 300451，China)Abstract:Thermal resistance temperature measurement method is widely used in oil field explorationand development because of its high accuracy，good stability and wide range of temperature measurementHowever，this method often affects the real time performance of temperature measurement due to the ma-terial properties of the sensor itself This paper takes the platinum thermal resistance commonly used in oilfield well temperature logging as the research object，according to the thermodynamic law，the logging soft-ware warrior and multi channel temperature tester(Anber AT4204)are used to record the dynamic re-sponse process of platinum thermistor，and the automatic collection of experimental data is realized Thenthe experimental data are processed by MATLAB software，and the mathematical model of temperaturesensing time constant of platinum thermistor under different temperatures，different diameters and differentlengths is obtained Under the condition of ensuring the measurement accuracy，it provides necessary datasupport and theoretical guidance for optimizing velocity measurement in the future logging processKeywords:thermodynamics;platinum thermistor;MATLAB;temperature sensing time constant;mathematical model0引言温度是地层重要的物理参数，也是油水井开发中井下开采层的物理特性出现变化最容易被检测的参数。利用井温测井得到的测井资料，就可以判断142023 年第 2 期工业仪表与自动化装置出井筒中温度出现异常变化的具体位置和原因，确定地层的温度和此地的地温梯度，并且可以了解到井内流体的具体流动状态，划分井下注入水层的剖面情况，完成对产层位置的确定和固井水泥的上返高度的测量，检查井筒壁有无窜槽情况发生，以及对井筒内管道的酸化压裂效果的评价等工作1。在实际测井过程中，常用的温度传感器有热电偶传感器、光纤传感器和热电阻传感器等，由于热电阻传感器的测温精度高、测温范围广、耐压性能和抗振性能比较好，所以在井温测量中常选用热电阻传感器进行实际井下测温。而用热电阻测量动态温度时，热电阻自身会有一定的响应时间，存在一定的延迟性2 3，导致井温测量过程中测温点与实际地层点不相对应的问题，即井温曲线对应深度存在误差。在实际井温测井中通常使用铂电阻 PT100 作为测温传感器，所以该文以铂电阻 PT100 为主要试验对象，完成对其动态响应过程的记录，得出了铂电阻测温时长度、直径与感温时间常数之间的关系，并由此建立数学模型，即可在实际井温测量中提供必要的理论基础和实践指导。1传感器动态响应模型在温度传感器的响应过程中，其表面的换热热阻通常情况下远大于自身内部的导热热阻，因此可以认为传感器在一瞬间的内外温度场是一致的。将在动态响应过程中温度与时间看成是一元函数关系，再根据热力学定律可以得到传感器在流体环境下冷却或者加热的热力学模型 4。而在井温测井中，可以将整个测井过程当做是传感器的加热过程，所以该文着重分析在加热过程中的热力学模型，即:T(t)=(T0 T)etTC+T(1)式中:T(t)为传感器在 t 时刻的温度，T为传感器在 t=时刻的平衡温度，TC为时间常数。令:y=Tt T0T T0(2)则y=1 etTC(3)此时定义温差为:T=TT0(4)式中:T 为起始温度与稳定后温度之间的差值。把式(4)代入式(1)中得:t=TC lnT Tt()T(5)设传感器的精度为 C，则当温度传感器的温度从 T0上升到 T C 时，可由式(5)得到式(6):t=TC(ln|T|)lnC(6)当 t=TC时，由式(3)得 y=1 (1/e)=0 632，表示在温度传感器的整个动态变化过程中，温度变化至整个动态过程温度变化的 63 2%时5，对应的时间差值 t 就是所要求的时间常数，为此设计相关试验求得该时间常数 t。2试验设计2 1试验设备表 1 所示为试验所需设备及规格型号。表 1试验设备及规格型号序号设备名称规格型号参数1多路温度测试仪安柏 AT4204测量范围 200 1300;分辨率 0 1 2warrior 操作台Warrior7 032 位程序，支持多通道，多任务3井温仪38Y F2耐温 150;外径 38 mm;测量范围 0 175 4铂热电阻PT100不锈钢/铜;直径 2 5 mm，2 0 mm;长度 30 mm，35 mm，45 mm5恒温设备APGC 100BA温度 10 200，温度波动度 0 5 2 2试验系统试验方案示意图如图 1 所示。该试验系统包括标准恒温设备、铂热电阻 PT100、多路温度测试仪(安柏 AT4204)、warrior 操作台、井温仪及电源。由于热电阻的感温时间常数与材料规格和直径密切相关6，该文试验热电阻分别选用 2 5 30，2 5 35，2 0 35 和 2 0 45 的 PT100 铂电阻传感器。图 1试验方案示意图24工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期2 3试验步骤(1)传感器的校验将恒温设备作为温度源，将多路温度测试仪中的一个探头放置于恒温设备中，将传感器与多路温度测试仪中的另一个温度探头固定在一起，使二者头部处于同一位置，并与之前的探头位置保持平行，传感器另一端与万用表相连。启动升温，当恒温设备升温到设定温度之上，等待降温至设定温度并稳定，记录下万用表显示的传感器的阻值，每5 记录一次，将实验数据与标准数据进行对比，判断传感器温度阻值是否满足线性要求7。(2)实验准备将恒温设备作为温度源，设定被测温度和采样率，选择接收端口，将多路温度测试仪中的一个探头插入恒温设备中，启动升温，当恒温设备升温到设定温度之上，关闭开关，让其自然冷却，待温度降至所设定温度并稳定时，点击 warrior 软件界面上的“开始采集”按钮，实验开始。(3)阶跃信号的采集将铂电阻传感器与温度仪相连，将传感器与多路温度测试仪中的一个温度探头绑定在一起，使二者头部处于同一位置，待温度降至所设定温度并稳定时，快速插入恒温设备中，并保持其与之前的探头位置处于同一水平位置，保证传感器完全浸没于硅油中，形成类似于“阶跃输入信号”，等到响应曲线保持平稳后，点击 warrior 软件界面上的“停止采集”按钮和“保存数据”按钮，保存实验数据和图像，将传感器取出。(4)阶跃试验当传感器自然降温到室温之后，分别改变传感器的长度和直径以及恒温设备的设定温度，重复步骤(2)和步骤(3)，获得传感器在不同的长度、直径及温度下的阶跃响应曲线;根据实验所得数据，在传感器不同温度条件下，建立时间常数与传感器的长度和温度之间的数学关系式以及相对误差与长度和直径之间的数学关系式8。2 4线性校验根据该课题铂电阻测试的温度范围，通过油浴制造20 90 的恒温环境，获得铂电阻的阻值与环境温度值 2 个数据组，根据上述实验步骤(1)，通过MATLAB 的拟合工具包中的 cf tool，得到温度阻值对应的曲线以及该次拟合结果的公式、均方根误差和回归系数等11。选取 2 0 45 的铂电阻 PT100 传感器结果展示，其误差平方和 SSE 为 0 02567，均方差 MSE 为0 04831，确定系数为 1，线性程度较好，符合试验标准。2 5动态特性响应曲线按照前面实验步骤，得到直径和长度为 2 5 30，2 5 35，2 0 35，2 0 45，室温分别为30，40，50，60，70，80 和 90 时的实验数据，