劉卓群,董 鵬,李富強,劉開緒,馬駿馳

(1.羅斯托克大學 電氣工程學院,德國 羅斯托克 18051;2.大慶油田技術監(jiān)督中心 數(shù)字化儀器儀表檢測所,黑龍江 大慶 163712;3.大慶鉆探工程公司地質錄井一公司,黑龍江 大慶 163712;4.大慶師范學院 機電工程學院,黑龍江 大慶 163712)

綜合錄井儀電導率傳感器是用來測量鉆井液的電導率值,屬于電感式電導率測試一次檢測表[1-3]。

電導率傳感器由磁感應探頭和變送器組成。磁感應探頭是將鉆井液導電能力轉換為感應電壓信號,而變送器則是將感應電壓信號轉換為標準電流信號(4～20 mA)。

SK-8D08是一款常用的錄井電導率傳感器,其測量范圍是0～300 mS/cm,輸出信號4～20 mA,工作溫度-40～+70 ℃,測量精度±1% FS。

對錄井電導率傳感器進行檢定可以使用對比法,或按照原理進行檢定。通常是利用導線串接標準電阻穿過電導率傳感器磁感應探頭的感應環(huán),當改變回路中標準電阻值時,即模擬改變了鉆井液導電能力,從而變送器輸出對應標準電阻值的電流信號。

電導率傳感器檢定的流程比較簡單,但關鍵問題是標準電阻值與電導率傳感器輸出電流值是非線性的關系,而且檢定端點的最小電阻值僅1.8 Ω,若不考慮連接電阻箱的導線自身的零點零幾歐到零點幾歐電阻,檢定誤差會非常大,因而對測量結果帶來了不可忽視的影響,需要考慮對檢定的數(shù)據進行修正。

1 檢定原理

石油錄井所用電導率傳感器的測量原理是基于電渦流電感式原理,即在感應探頭內的初級線圈上加入一個交流激勵信號,使之在呈閉合狀態(tài)的鉆井液中產生感生電流,并感應到電導率傳感器的次級線圈上。次級線圈產生感應電壓信號的大小與鉆井液的導電能力(電導率)成正比。該感應電壓信號經變送器整形放大處理后,輸出與鉆井液電導率值成正比的4～20 mA標準電流信號。

為了檢定電導率傳感器,利用導線穿過電導率傳感器感應環(huán),導線的兩端連接在標準電阻箱的接線柱上。利用電阻箱接入到環(huán)路中的標準電阻值代替鉆井液的導電能力,依據電導率傳感器廠家提供的檢定數(shù)據對應表對傳感器進行檢定。表1給出了某型號電導率傳感器標準電阻-電流數(shù)據對應表。

表1 電導率傳感器標準電阻-電流數(shù)據對應表Table 1 Data of standard resistance-current of conductivity sensor

如采用六撥盤的ZX32標準電阻箱(0.01 Ω～10 kΩ),傳感器輸出電流用精密電流表進行顯示,圖1是電導率傳感器檢定原理圖。

圖1 電導率傳感器檢定原理圖Figure 1 Schematic diagram of conductivity sensor verification

根據記錄接入回路的電阻阻值和電導率傳感器輸出的電流值,通過處理數(shù)據,可求得傳感器的精度等級,給出檢定結論。

2 檢定誤差分析

實際應用中,由于導線電阻會對測量誤差帶來很大的影響,即便使用粗而短的導線或鍍銀導線等,仍無法徹底消除導線電阻對測量值的影響。為了能夠清晰地觀察曲線的變化規(guī)律,曲線中忽略了(9 000,4)點,圖2是電導率傳感器標準電阻值-電流曲線。

圖2 電導率傳感器標準電阻值-電流曲線Figure 2 Curve of standard resistance-current of conductivity sensor

對照表1和圖2,在電阻值較小的坐標點(R1,I1)處,當電阻值有較小增量,則電流值就會有很大的變化,而電流值的變化會影響對傳感器檢定結果正確性的判定。該電阻值有較小的增量是由于串接電導率傳感器感應環(huán)連接電阻箱端子的導線電阻帶來的。

導線電阻的存在為各個測試點都不同程度地引入了誤差,該誤差歸結為系統(tǒng)誤差,是可以通過對測量數(shù)據的修正加以解決的[4～7]。

3 檢定數(shù)據的修正[7～11]

由于導線電阻值很小,可以采取分段處理的方式對各測量點數(shù)據加以修正。如選取(1.8,20)和(2.4,16)兩點,如導線電阻ΔR=0.1 Ω,電阻箱接入標準電阻值為1.8 Ω,實際接入電導率傳感器感應環(huán)回路的電阻值是1.8 Ω加0.1 Ω,即1.9 Ω接入了回路。

依據三點共線,認為點(R+ΔR,I)在(1.8,20)和(2.4,16)線段上,可求得對應電流值I[12]。

(1)

式(1)中,I1為第一段起始點電流值,R1為第一段起始點電阻值,I為為第一段校準點電流值,I2為第一段結束點電流值,R2為第一段結束點電阻值,ΔR為導線接入的電阻值,則引入校準點電流值I:

(2)

帶入數(shù)據,可求I值,即

(3)

在端點(1.8,20)附近,由于導線電阻值的引入,會為測量系統(tǒng)帶來較大的誤差。而在之后的其他點,如(2.4,16)、(3.6,12)及(7.2,8)等,導線電阻引入的誤差呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,而在點(9 000,4)附近,導線電阻值對測量誤差的影響是完全可以忽略不計的,這一點是可以通過上述公式驗證的。

導線電阻值引入的誤差,校準點輸出電流的示值誤差:

ΔI=I1-I=20-19.33=0.67(mA)。

(4)

式(4)中:ΔI為校準點輸出電流的示值誤差,mA;I1為校準點的標準電流值,mA;I為校準點輸出電流的示值,mA。

按式(4)計算電導率傳感器校準點中輸出電流示值的測量誤差。

r1=(Δmax/I3)×100%。

(5)

式(5)中:r1為校準點中輸出電流示值的測量誤差,用百分數(shù)(%)表示;Δmax為校準點中輸出電流的最大示值偏差,mA;I3為電導率傳感器測量范圍的標準電流值,mA。

則:

r1=0.67/16×100%=4.19%。

對于測量精度±1% FS的電導率傳感器,由于導線電阻值的引入,造成了在必檢點超過4%的相對誤差,顯然是不科學、不可取的。

在對應橫坐標1.8 Ω處,當由于導線電阻的引入產生電阻增量ΔR后,對應的縱坐標電流值I會產生比較大的變化量。為此,可以采取根據電阻增量ΔR值在序號點處進行正向修正。假如選定導線電阻為0.1 Ω,當電阻箱選定1.8 Ω電阻值,測得到的電流值應當再加上0.67 mA進行系統(tǒng)誤差修正。

同樣,對應表1中序號1～6的6個點,即對應著五段線段,在對應的檢定點處,可用同樣的方法對測量值進行修正,以確保測量數(shù)據更加準確。表2給出了各檢定點導線引入誤差修正電流值。

表2 檢定點導線引入誤差修正電流值Table 2 Introduce error correction current value of verification point conductor

4 檢定應用

依據檢定數(shù)據表1,在第一個檢定點處導線的電阻值引入的系統(tǒng)誤差較大,在后續(xù)的檢定點處導線引入的誤差逐漸減小,如果有n個檢定點,可以對前(n-1)個檢定點進行數(shù)據修正,則在第n個檢定點處導線的電阻已經影響甚微,可以忽略不計。

采用標準交/直流電阻箱(0.01 Ω～10 kΩ),共6個旋鈕,分別對應×0.001,×0.01,×0.1,×1,×10,×100,×1 000檔。

遵照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6679.1—2007綜合錄井儀校準方法,第1部分:傳感器部分,對電導率傳感器進行測試和數(shù)據處理。在檢定前,利用電橋測得所用導線的電阻值,記作ΔR=0.33 Ω,根據式(3)和式(4)可以求得各個檢定點處的誤差修正值,一組實際測量的數(shù)據表見表3。

表3 檢定測量數(shù)據表(ΔR=0.33 Ω)Table 3 Data of verification and measurement (ΔR=0.33 Ω)

從表3數(shù)據看,在點(1.80,20.00)處,實測電流為17.67 mA,絕對誤差為2.33 mA,相對誤差14.56%。而修正后,絕對誤差為0.13 mA,相對誤差0.81%,誤差降低了13.75%,檢定結果更加可靠。

為了直觀觀察實測數(shù)據、修正數(shù)據與理論標準電流數(shù)據的對比關系,利用表3的數(shù)據繪制了對比曲線見圖3。從圖線上能夠清晰地觀測檢定數(shù)據的變化趨勢,在此也是忽略9 000 Ω電阻值檢定點。

圖3 傳感器檢定數(shù)據對比曲線(ΔR=0.33 Ω)Figure 3 Comparison curve of sensor verification data (ΔR=0.33 Ω)

從三個電流曲線可以看出實測電流曲線偏離理論標準電流曲線,而修正電流曲線與理論電流曲線基本重合在一起。實測電流曲線偏離標準電流曲線,也是主要體現(xiàn)在電阻值較小的幾個檢定點處。

再從相對誤差的角度來看,修正后的數(shù)據與標準值間的最大相對誤差為0.81%,是小于電導率傳感器測量精度±1% FS指標的。又由于電導率傳感器是非線性的,不便于用引用誤差來表征測量點的精度,實際測量中直接用相對誤差與傳感器精度指標對比來判斷。綜上可以得出傳感器可以按照1.0級使用。

在實際應用中,可以選擇6 mm2的鍍銀銅導線,將傳感器感應環(huán)靠近電阻箱,則導線長度可以選定1 m以內,利用電橋測得導線電阻后使用。而且,由于每套裝置選定一條導線長期使用,導線電阻值在各檢定點的修正換算可以設計專用的軟件來完成[13-14]。

5 結 語

引入導線電阻帶來的誤差和數(shù)據的修正處理都是為了減小導線電阻值引入的系統(tǒng)誤差。通過采取對檢定數(shù)據進行分段線性化處理的方式,導出導線電阻值在各個檢定點的引入的正向誤差值,以對測量值進行修正。這種修正可以利用計算機程序自動完成,只要輸入導線的電阻值,則各個檢定點的修正值就自然得出,可以依此設計電導率傳感器檢定裝置。

根據電導率傳感器檢定數(shù)據修正方法對電導率傳感器進行了檢定測試,驗證了測試數(shù)據經修正后提高了準確性,裝置給出的檢定結論更加真實。

文章采取兩個檢定點間插入測試點的三點線性修正方法,雖然與整個曲線的變化趨勢還存在著差異,但帶來的影響已經很小了。若采取二次曲線逼近的修正方法將能夠得到更加精確的測量數(shù)據和更加準確的檢定結果,使得導線電阻值引入的誤差降低到最小。