彭偉斌 曹志福

(北京中地英捷物探儀器研究所，北京 10000)

四臂式雙井徑測(cè)井儀，在煤層氣測(cè)井中，用于了解井眼形態(tài)，計(jì)算固井時(shí)所需水泥量；

水文測(cè)井中，用于校正流量；其它測(cè)井中，用于校正井眼對(duì)曲線的影響。圖1是該儀器的外形圖，表1是該儀器的測(cè)量參數(shù)。X、Y軸井徑是對(duì)稱的兩條測(cè)量臂測(cè)量值的代數(shù)和，平均井徑是X、Y軸井徑的平均值。四條測(cè)量臂隨井眼變化，通過(guò)機(jī)械裝置帶動(dòng)測(cè)量桿成比例移動(dòng)，測(cè)量桿的另一端連接井徑傳感器，輸出與井徑成比例的電壓信號(hào)。

圖 1 四臂式雙井徑測(cè)井儀

表1 各曲線的通道號(hào)測(cè)量范圍及精度

1 差動(dòng)電感式位移傳感器的測(cè)量方法：

利用電磁感應(yīng)原理，測(cè)量桿的位移帶動(dòng)線圈中心的鐵芯移動(dòng)改變線圈的電感，由此將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。如圖2所示，是利用差動(dòng)電感式位移傳感器的測(cè)量原理框圖。振蕩電路驅(qū)動(dòng)傳感器的激勵(lì)線圈，在差動(dòng)線圈產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，由于差動(dòng)線圈一半正繞，一半反繞，鐵芯在傳感器中心時(shí)，差動(dòng)線圈的輸出電壓為零。當(dāng)測(cè)量桿帶動(dòng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，差動(dòng)線圈的輸出電壓與位移量有如下關(guān)系：

式中，K為常數(shù)；Dx為位移量。

差動(dòng)線圈的輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波和直流放大后送單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電纜向井上輸出與井徑成比例的數(shù)字信號(hào)。實(shí)際電路中，振蕩電路公用，其它部分需要與測(cè)量臂對(duì)應(yīng)的四套。

優(yōu)點(diǎn)：鐵芯與線圈做成非接觸方式，線圈與測(cè)量電路在一起，鐵芯裸露在外，與泥漿直接接觸，省略了壓力平衡膠囊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；傳感器可以自制，成本低廉；四條測(cè)量臂有獨(dú)立輸出。

缺點(diǎn)：四只傳感器間有漏磁干擾，在井眼較斜時(shí)，可能某條測(cè)量臂被儀器自重壓縮的很小，而其它測(cè)量臂張角較大時(shí)，干擾更明顯；傳感器體積大，電路復(fù)雜。

因此，采用這種測(cè)量方法的儀器，易在井眼斜度較小或較淺的井中測(cè)量。

2 電位器傳感器測(cè)量方法：

2.1 六線方式：

如圖3所示，四只自復(fù)位電位器密封在壓力平衡膠囊內(nèi)，通過(guò)動(dòng)密封裝置分別與各自的測(cè)量桿連接。VREF、JCOM是穩(wěn)壓電源輸入，J1、J2、J3和J4是與四條測(cè)量臂井徑成比例的電壓輸出，再經(jīng)簡(jiǎn)單緩沖電路后進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電纜向井上輸出與井徑成比例的數(shù)字信號(hào)。

圖 3 六線電位器方式測(cè)量原理

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高；電路簡(jiǎn)單；對(duì)電位器要求低；四條測(cè)量臂有獨(dú)立輸出。

缺點(diǎn)：需要壓力平衡膠囊和六根高壓密封的連線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維修。

因此，采用這種測(cè)量方法的儀器，不便與其它測(cè)量參數(shù)組合。

2.2 四線方式：

如圖4所示，四只自復(fù)位電位器密封在壓力平衡膠囊內(nèi)，通過(guò)動(dòng)密封裝置分別與各自的測(cè)量桿連接。在對(duì)稱的兩只電位器輸出端串聯(lián)相同阻值的電阻，經(jīng)反相放大電路后進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電纜向井上輸出與井徑成比例的數(shù)字信號(hào)。X軸或Y軸的兩只電位器的輸出端串聯(lián)電阻在經(jīng)反相放大，是利用了加法放大電路原理。它較六線式減少了兩根連線。

圖 4 四線電位器方式測(cè)量原理

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高；對(duì)電位器要求低；它較六線式減少了兩根連線。

缺點(diǎn)：需要壓力平衡膠囊和四根高壓密封的連線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維修；四條測(cè)量臂無(wú)獨(dú)立輸出。

我單位生產(chǎn)的四臂式雙井徑測(cè)井儀主要采用這種測(cè)量方法。

2.3 三線方式：

如圖5所示，四只自復(fù)位電位器密封在壓力平衡膠囊內(nèi)，通過(guò)動(dòng)密封裝置分別與各自的測(cè)量桿連接。對(duì)稱的兩只電位器串聯(lián)連接，供恒流電，井徑變化，則電阻變化。由于是恒流供電，在輸入端檢測(cè)電壓信號(hào)即反應(yīng)了井徑的大小。經(jīng)放大電路后進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電纜向井上輸出與井徑成比例的數(shù)字信號(hào)。

圖 5 三線電位器方式測(cè)量原理

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高；它較四線式減少了一根連線。

缺點(diǎn)：對(duì)電位器要求很高；需要壓力平衡膠囊和三根高壓密封的連線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維修；四條測(cè)量臂無(wú)獨(dú)立輸出。

[1] 黃作華．煤田測(cè)井方法與數(shù)字處理（上冊(cè)）[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社，1982:180.

[2] 王賀，張秀彬，馬云等．差動(dòng)變壓器電感式位移檢測(cè)傳感器[J].電工技術(shù)，2009(10):39.