传感器工作原理及故障判断方法.doc

传感器工作原理及故障判断方法概述综合录井技术是在钻井过程中应用电子技术、计算机技术及分析技术，借助分析仪器进行各种石油地质、钻井工程及其它随钻信息的采集（收集）、分析处理，进而达到发现油气层、评价油气层和实时钻井监控目的的一项随钻石油勘探技术。应用综合录井技术可以为石油天然气勘探开发提供齐全、准确的第一性资料，是油气勘探开发技术系列的重要组成部分。综合录井技术主要作用为随钻录井、实时钻井监控、随钻地质评价及随钻录井信息的处理和应用。综合录井技术的特点有：录取参数多、采集精度高、资料连续性强、资料处理速度快、应用灵活、服务范围广等。目前国际国内先进的综合录井仪参数的检测精度上有了大幅度的提高，也扩展了计算机系统功能，形成了随钻计算机实时监控和数据综合处理网络，部分综合录井仪还配套了随钻随测(MWD)系统，增加了远程传输等功能，实现了数据资源的共享。其原理框图见图1。气体检测仪各类传感器其它信号源数据采集接口计算机处理系统输出设备图1：综合录井仪基本结构图1、传感器亦称一次仪表，是将一种物理量转换为另一种物理量的设备。其输入信号为待测物理量，如温度、密度、压力、电阻率、距离等，输出信号为可以被二次仪表或计算机接收的物理量，如电流、电压、电阻等。传感器是综合录井仪的最基础部分，其工作性能的好坏直接影响着录井质量。2、气体检测仪气体检测仪主要包括烃类检测仪、非烃组分检测仪（或二氧化碳检测仪）等气体检测设备，以及脱气器、氢气发生器、空气压缩机等辅助设备。烃类检测仪主要是利用FID技术测量钻井液中的烃类气体含量；非烃组分检测仪是利用热导池鉴定器测量钻井液中CO2、H2等其它气体的含量。3、计算机系统随着计算机技术的发展及应用，目前综合录井仪的计算机系统不仅担负着参数的采集、处理、存储和输出的任务。其存储的资料还可以按照用户的要求，应用其它专用软件进行进一步处理，以完成地质勘探、钻井监控及其它录井目的。同时其联机系统已形成多用户的网络化计算机系统，实现多用户、网络化数据管理，具有携带近程或远程工作站的功能，以便于大型应用软件的使用和数据资源的共享。4、输出设备综合录井仪输出设备主要有显示器、记录仪、打印机、绘图仪等等。其用途是将计算机采集、处理的信息通过直观的方式呈现给用户以进行进一步的应用。本文将从气体检测仪、传感器与接口系统等方面介绍综合录井仪的调校方法。传感器一、绞车传感器该传感器被安装在钻机滚筒轴上，通过测量钻机大绳收放时滚筒的角运动来监测大钩垂向运动，计算大钩的位置变化，计算钻头位置以及井深等参数的变化。具体工作方式是当滚筒产生角位移时，传感器的转子随之产生位移，传感器输出一种相位差为90的脉冲。该脉冲在数据接口或计算机的处理下，转变为大钩的位移变化。因此现场一般情况下要收集输入大绳、滚筒的相关参数：绞车传感器是由一个定子部件和一个转子部件组成。定子部件为一个金属圆盘外壳，其上并排安装有两个马蹄形邻近探测头；转子部件为一个具有12个方齿的齿轮。在安装传感器时，转子与滚筒轴被固定在一起，定子部件固定不动，当大钩上提下放时，滚筒转动，转子随之转动，（图2）。图2 临近绞车传感器内部结构图1、工作原理绞车传感器的种类很多，常用的有光学编码、临近及光电耦合式传感器。（）光电耦合式绞车传感器光电耦合式绞车传感器的电路原理图如图3：图3：绞车传感器电路原理图图中D1、D2为发光二极管，发出红外线。T1、T2为光敏三极管，二者集成在光电耦合器感应探头中。图中的其它电路都集成密封在传感器上。当遮光片（光齿）随绞车轴转动时，分别阻断、导通光电耦合器中的红外线，使绞车传感器输出脉冲信号。当遮光片（光齿）阻断红外线时，光敏三极管的基级没有输入信号，三极管处于截止状态，输出脚A（B）输出低电平。当遮光片（光齿）导通红外线时，红外线照射到光敏三极管的基级，三极管处于导通状态，输出脚A（B）输出高电平。遮光片（光齿）采用圆盘状十二齿交错结构，根据光齿结构将光电耦合器感应探头在安装位置上进行设计和调节就可以使A、B两脚输出相应位差为90的脉冲信号。如图4所示：图4：绞车传感器输出脉冲信号图两路脉冲信号经过绞车板电路触发、鉴相、倍频处理后，就可以输出48个脉冲信号（绞车传感器每转动一圈）。（）邻近探头式绞车传感器邻近探测头实际上是一个无触点开关，它由一个振荡器组成。在振荡线圈感应面的前方产生一个交变电磁场。当有金属片接近振荡线圈时，探测头附近的高频磁场在金属片中感应出涡流，造成较大的能量损失，输出一个低电压信号；当有金属片远离振荡线圈时，探测头附近的高频磁场的能量损失较小，此时输出的电压近似于传感器振荡线路供电电压，因此输出一个高电压信号。当大钩运动时，传感器转子部件随滚筒一起转动，转子齿轮的齿与齿间空交替地通过探测头前方，使探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号，这些脉冲信号被送到信号处理放大器和单稳线路中加以处理，从而得出“不探测”（高电压）和“探测”（低电压）的脉冲信号。图邻近探头式绞车传感器、绞车传感器的主要技术指标绞车传感器在正常工作情况下，主要有以下技术指标： 工作电压：315V（DC），一般采用5V（DC）供电。 输出脉冲信号电平：高电平4.3V；低电平0.5V(5V供电时)。 动作响应时间：150us。 灵敏度：7.5/脉冲（每周48个脉冲）。 精确度：1脉冲（传感器转动一周）。、安装使用方法及注意事项传感器的安装是录井仪器安装最重要的环节，安装性能的好坏决定了传感器性能的发挥，最终决定了录井资料质量和录井服务质量。下面介绍传感器的安装及注意事项：（）安装位置绞车传感器安装在滚筒轴上，并随着滚筒轴转动，监测滚筒轴所发生的角位移，测量、计算钻头所在的井深。（）安装步骤卸下滚筒轴端面的护罩及气管线接头，先将传感器安装牢固，再把气管线接头装上，用绞车皮带将传感器的外壳固定牢固后，装上护罩。同时采取密封措施，防止泥浆或其它污染物喷溅到传感器上，腐蚀传感器外壳，污染传感器内部电路及探头。（）电缆线的铺设一般采用铺设在钻台下面，或者铺设在不易被砸碰、损坏的地方。主要以安全、可靠且不影响井场工作人员现场操作为原则。（）传感器与加长电缆的连接光电耦合式绞车传感器的四芯线定义：1#脚（红）：工作电源+5V；2#脚（黄）：输出脉冲信号B；3#脚（黑）：工作电源0V； 4#脚（兰）：输出脉冲信号A。光电耦合式绞车传感器的四芯线定义：1#脚空；#脚：输出脉冲信号；#脚：工作电源V（）；4#脚：输出脉冲信号。根据上述定义，与电缆线四芯线的定义相对应连接，连接处采取密封、绝缘措施。从两种传感器的电缆线的定义可以看出，当传感器类型不同时，传感器连接方式也有所改变，因此在使用或更换传感器时，一定要分清传感器的型号，线的定义，然后才能根据加长电缆线的定义一一对应连接。（）对传感器要采取防水、防污染措施由于现场工业用水一般水质较差，含杂质较多，导电能力较强。尽管内部电路和传感器已采取密封防水措施，但仍可能使内部电路产生短路故障。另外光电耦合探头的工作主要以红外线照射为基础，若探头中被污染物污染了，将会影响测量效果。、故障判断及排除方法绞车传感器在使用过程中，故障具体表现为：井深面板指示灯不闪烁；井深不跟踪；井深误差较大等故障现象。主要故障点为（）传感器探头部分故障：损坏、污染、位置变动；（）传感器内部电路损坏（光电耦合式）；（）连接线故障。短路、断路、接触不良、连接线过长电压衰减大等。根据现场经验，可以从以下几个方面进行检测：（）传感器初步检查传感器电源 + 数字万用表电源 -黑表笔信号A红表笔信号B图 传感器与万用表连接示意图当用万用表的电阻档测量输出信号线的电阻时，从图可以看出：只有传感器的信号（）与（地）之间的电阻比较小，电源与（地）之间的电阻由于受二极管的反向截止的影响，电阻值在表笔连接方式不同时，是变化的，电源与信号线之间的电阻比较大。（）供电检查绞车传感器在使用过程中，一般的工作电压为5V，连接传感器后，用万用表测量传感器的1#脚与3#脚应接近5V。如果变化较大，根据上面的工作原理图可以判断传感器内部可能有短接故障。现场可以根据实际情况判断是否有进水的可能性，同时将传感器拆卸下来进行维修：或清除积水；或更换探头及电路板，再进一步判断故障点。（）传感器输出信号检查在绞车传感器随滚筒轴转动过程中，井深面板两个指示灯应该交替闪烁；传感器两个脉冲信号输出端输出高低电平：高电平约为4.3V，低电平小于0.5V（新传感器的技术指标，旧传感器的输出电平可能要低一些，但高电平最小不能低于3.V）。如果上述信号不正常，在传感器上可以从以下几个方面检查：首先检查与传感器相连的加长电缆线是否短路或断路：可以先用万用表在传感器输出端测量供电电压（1#脚与3#脚之间）以及传感器的信号输出电压（2#脚与3#脚之间；4#脚与3#脚之间），然后在仪器房内部测量绞车传感器的供电电压及信号输出电压，二者的测量值相同或比较接近。否则可以判断加长电缆线有故障，现场可根据实际情况判断是短路、断路或者接触不良导致信号衰减过大。另外也可以将加长电缆线从测量电路中断开，一端将四芯线的头短接，另一端用万用表电阻档测量加长电缆线四根线之间的电阻，线与线之间的电阻应该相同或接近。否则可根据实际测量电阻的情况判断加长电缆线是短路、断路或者接触不良。此时应更换加长电缆线，然后进一步判断是否有其它故障点。或者用其它型号传感器直接接在仪器房内部，确定故障是否在加长电缆线上。其次检查传感器的输出电压：在绞车传感器随滚筒轴转动过程中，断开2#脚、4#脚与电缆线的连接，电缆线的1#脚、3#脚仍连接着，用万用表测量传感器的信号输出电压（2#脚与3#脚；4#脚与3#脚之间）应分别有4.3V和0.5V电压变化。否则可以判断传感器输出脉冲信号出现了故障，并可依据实际测量的结果判断传感器是两路脉冲信号出现了故障，还是一路脉冲信号出现了故障，即传感器的感应探头出现了故障。此时可以将传感器密封盖拆卸开，观察判断传感器探头内部是否被油污、灰尘等污染了，并对传感器进行保养，然后进一步测试传感器的故障点，在确定传感器故障后，将传感器更换。另外，由于传感器随滚动轴转动的速度不一定适合测量（速度太快，万用表反应速度慢，无法准确测量，速度太慢，浪费时间），此时可以将传感器拆卸下来，人工转动传感器进行检测，可以得到较好的测量效果。传感器数字万用表仪器面板电源 + +电源 -信号A信号B黑表笔红表笔图 传感器检验连线示意图（）传感器技术性能指标测试绞车传感器的技术性能指标不好主要会引起井深测量不准、误差较大等现象。此时将传感器从滚筒轴上拆卸下来，人工转动传感器，观察绞车面板指示灯的闪烁变化情况（绞车面板指示灯应该交替闪烁）。同时记录绞车传感器转动圈数和绞车面板（计算机）采集记录的脉冲数，二者进行比较：按照绞车传感器每转动一圈，绞车面板（计算机）采集记录48个脉冲数的比例计算。一般情况下采用正、反转动绞车传感器各20圈，绞车面板（计算机）采集记录的脉冲数均为960个，误差不大于20个脉冲。如果误差较大，则说明传感器技术性能指标较差，可考虑更换传感器。（）机械故障判断一般情况下，在绞车传感器安装前，应该检查绞车传感器的机械故障。转动绞车传感器，在转动过程中若有轧动声或转轴卡滞，视为传感器有机械故障。此时应拆卸开传感器的密封盖，检查12转齿是否变形，是否与探头间发生摩擦；检查轴承是否有破损故障。及时保养排除传感器的机械故障，避免损坏传感器的探头及电路。、传感器室内检验（1） 检验设备计量标准器的配置见表1。表1 检验用计量标准器一览表序号设备名称准确度测量范围数量1标准转速仪0.03级2r/min600r/min1套2数字万用表4 1/2位0V1000V1只辅助设备的配置见表2。表2 检验用辅助设备一览表序号设备名称主 要 技 术 指 标数量1稳压电源24VDC1台2计算机1台（2） 检验项目 传感器的检验项目见表3。表3 检验项目一览表序号校 准 项 目新制造使用中修理后 1外观检查+2内部电路检查+3高、低电压检验+4误码率检验+5鉴别力阈检验+-+注：“+”表示检验项目，“-” 表示可不检验项目。（3） 检验方法3.1 外观检查目测检查传感器的机械转动应灵活、通畅，无卡滞现象。传感器的外观应完好。3.2 内部电路检查用数字万用表的电阻档检查传感器的内部线路应无短路、断路。3.3 高、低电平检验 用数字万用表测量传感器的信号A脚和B脚输出的电压，该电压应符合传感器技术指标的要求。3.4 误码率检验 以不同的速度转动传感器（最大500r/min），从标准转速仪上读取传感器从启动到停止所转动的圈数，并同时从计算机上读取其脉冲示值。然后计算传感器的误码率。3.5 鉴别力（阈）检验将传感器转动7.5，从计算机上观察传感器输出脉冲的示值变化。（4）每米最大理论误差的计算：根据现场经验：平均每米大约需要200个脉冲，每个脉冲所代表的距离为：=1/200=0.005m每米绞车传感器需要转动圈数：N=200/484.2周若每周的误差为1脉冲，这样平均每米的脉冲误差数为：=4.2个脉冲。平均每米的误差为：=4.20.005=0.021m由此可以得出：在现场录井过程中，如果每米最大误差小于2cm应属于正常。一般情况下，传感器的误码率都比较小，在实验室内检验过程中，以每分钟500转的速度的转动传感器，20圈后（960个脉冲），传感器的丢失的脉冲一般不超过5个。二、泵冲传感器1、工作原理泵冲速指单位时间内泥浆泵作用的次数。单位：冲/min。它是计算钻井液入口排量及钻井液迟到时间的重要参数，还可用于判断泵故障，与立管压力等参数综合分析可以判断井下钻具事故等。图9 传感器电路图泵冲速传感器也是一种邻近传感器。由一个长柱形外壳及邻近探测头组成。邻近探测头实际上是一个无触点开关，它由一个振荡器组成。在振荡线圈感应面的前方产生一个交变电磁场。当有金属片接近振荡线圈时，探测头附近的高频磁场在金属片中感应出涡流，造成较大的能量损失，输出一个低电压信号；当有金属片远离振荡线圈时，探测头附近的高频磁场的能量损失较小，此时输出的电压近似于传感器振荡线路供电电压，因此输出一个高电压信号。泥浆泵工作时，其活塞作往复运动，安装在活塞上的金属片交替地通过探测头前方，使探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号，这些脉冲信号被送到信号处理放大器和单稳线路中加以处理，从而得出“不探测”（高电压）和“探测”（低电压）的脉冲信号。传感器内部电路图如图14。目前综合录井仪的泵冲（转速）传感器供电有+8V、+24V等，一般情况下，高电平和低电平的范围如下：正常的高电平值：G U （905）% 正常的低电压值：L U （205）% 其中U为传感器工作电压值。现场可以用万用表测量传感器的输出电压值。目前GEO6000综合录井仪的泵冲（转速）传感器供电为+8V，一般情况下，高电平应该接近8V；低电平4.4V左右。当传感器供电为+24V，高电平23V左右；低电平接近4V。如图2（a） 高电平 低电平低电平 负电平 图a 图b图13 传感器输出信号2、安装使用方法及注意事项传感器的安装是录井仪器安装最重要的环节，安装性能的好坏决定了传感器性能的发挥，最终决定了录井资料质量和录井服务质量。下面介绍传感器的安装及注意事项：（2）安装位置一般的说明书都介绍泵冲传感器安装在泥浆泵活塞的拉杆上，但由于工程频繁修泵，容易移动探头的位置或损坏传感器，导致反复维修或安装。因此现在都选择将传感器安装在泥浆泵的护罩上，将探头焊接在泥浆泵头的转轴上。或者选择适当的测量位置，焊好金属探头，用支架将泵冲传感器固定好。转盘转速传感器一般利用支架安装在靠近转盘主轴的适当部位，在转盘的轴面上焊接探头。由于传感器安装在钻台上，安装时要考虑传感器的安全且方便以后检修、更换，同时不影响工程人员现场操作。（2）安装步骤在泥浆泵头的护罩上开一个孔（一般在400平方厘米左右，太小不利于传感器的安装与调试。），然后将传感器支架焊接在护罩上，在泥浆泵头的转轴上焊上金属探头，再将泵冲传感器固定在支架上。转速传感器是在转盘主轴附近或在驱动转盘的动力源的适当部位焊接支架，将金属探头焊接在转盘主轴或焊接在在驱动转盘的动力源的轴面上。然后将传感器固定好。（3）安装时应注意以下问题：（1）调整探头感应面的位置与传感器的端面之间的距离，一般应小于12mm。（2）探头感应面与传感器的端面要尽量保持平行。（3）选取尽量大的金属探头（一般选择探头感应面的长宽为30mm）。（4）避免金属屑或带金属屑的油污玷污感应面，造成磁短路或传感器误动作。（5）安装时尽量避免阳光直射和雨淋，以提高传感器的可靠性和使用寿命。（6）加长电缆线的铺设，以不妨碍工作人员的现场操作和不易被碰砸、损坏且架设安全、可靠为原则。特别是在钻台上电缆线一定要铺设较为隐蔽的地方。（7）传感器的安装要牢固可靠，避免重复安装和调试。安装同时要注意人身安全。（4）传感器与加长电缆的连接与调试泵冲（转速）传感器的三芯线定义：1#脚（棕）：工作电源+8V（+24V）；2#脚（红）：空；3#脚（橙）：输出信号。上述三芯线的定义为标准定义，也可以打开传感器自己定义。根据三芯线的定义，与电缆线三芯线的定义相对应连接，连接处采取密封、绝缘措施。一般电缆线连接正确后，传感器指示灯亮（现已出现另一种泵冲传感器，其工作状态正好相反，但工作原理和输出信号相似。），当有金属物体在传感器的端面来回移动时，指示灯闪烁，面板或计算机有采集电压；信号线连接不正确时，传感器指示灯亮，当有金属物体在传感器的端面来回移动时，指示灯也闪烁，但面板（计算机）无采集电压。此时传感器输出信号如图2（b）所示，是一组负脉冲信号，因此面板（计算机）采集不到电压。在传感器连接好后，可以用万用表测量传感器1、3脚的电压，一般输出电压为3.58V（8V供电），或3.923.7V（24V供电）。因为仪器面板（计算机）采集的是输出电压的上升沿，因此输出电压有一个足够大的变化范围即可。（5）传感器的标定由于传感器安装的位置不同，传感器所测量的脉冲数也不一样，例如泵的转轴处和泵的活塞拉杆处的脉冲数就不一样。因此在现场录井过程中，要用秒表实际测量泵冲（转速）脉冲数，根据实际测量的泵冲（转速）数对传感器进行标定。一般采用两点标定，即零脉冲和实际测量的脉冲。如果有条件可以采用多点标定。3、故障判断及排除方法泵冲（转速）传感器在使用过程中，故障主要表现为：传感器无输出信号。根据现场经验，可以从以下几个方面进行检测：（1）供电检查泵冲（转速）传感器在使用过程中，一般的工作电压为8V或24V，可以先用万用表测量供电电压，然后在仪器房内部测量泵冲传感器的供电电压，二者的测量值相同或比较接近。否则可以判断加长电缆线有故障，现场可根据实际情况判断是短路、断路或者接触不良导致信号衰减过大。连接传感器后，再用万用表测量传感器的1#脚与3#脚的电压应接近8V或24V。如果变化较大，可以判断传感器内部可能有短接故障。现场可以根据实际情况判断是否有进水的可能性，同时将传感器拆卸下来，打开传感器的密封盖，再进一步判断故障点。（2）传感器输出信号检查传感器在工作中，无信号输出时，首先要观察传感器上的指示灯是否有相应的闪烁。如果指示灯常灭或常亮，应检查加长电缆线是否短路或断路。方法如下：将加长电缆线从测量电路中断开，一端将二芯线的头短接，另一端用万用表电阻档测量加长电缆线二根线之间的电阻，线与线之间的电阻应该很小（小于1）。否则可根据实际测量电阻的情况判断加长电缆线是断路或者接触不良。此时应更换加长电缆线，然后进一步判断是否有其它故障点。其次是检查传感器是否有故障，可以将传感器拆卸下来直接接在仪器房内部，用金属物体靠近传感器的端面，指示灯应有亮的动作，远离时有灭的动作。否则可以判断传感器损坏。更换新的传感器。如果传感器良好，应调整传感器与探头之间的距离，直到传感器工作状态良好。如果在其他地方测试传感器时，或在仪器房内部不接泵冲通道的情况下，可按照图3的连接方式连接测试传感器。因为稳压电源输出的电压为图3 稳定的24V（8V），若直接将传感器连接到电源上，传感器可以正常工作，但传感器两端的输出电压永 远为稳压电源输出电压。因此必须在电路中串联一个1K的电阻作为分压电阻，当金属物体（探头）远离时，可用万用表测量传感器两端输出低电平，指示灯灭；当金属物体（探头）靠近时，可用万用表测量传感器两端输出高电平，指示灯亮。根据上述状态的是与否，判断传感器的好与坏。4 传感器室内检验 （1）检验设备计量标准器的配置见下表序号设备名称准确度测量范围数量1标准转速仪0.0620r/min6000r/min1套2数字繁用表4 1/2位0V1000V1只3通用计数器2.40kHz1000kHz1台4钢卷尺1mm0m1m1个辅助设备的配置见下表序号设备名称主 要 技 术 指 标数量1稳压电源24VDC1台2计算机1台（2）检验内容 传感器的校准项目见下表。序号校 准 项 目新制造使用中修理后 1外观检查+2内部电路检查+3高、低电平校准+4误码率校准+5感应距离校准+6鉴别力阈校准+-+注：“+”表示校准项目，“-” 表示可不校准项目。（）检验方法.1 外观检查目测检查传感器的外观。.2 内部电路检查用数字万用表的电阻档检查传感器的内部线路。.3 高、低电平校准将传感器与稳压电源和数字繁用表连接在一起。转动探头，从数字万用表上读取传感器输出的高、低电压示值传感器稳压电源1k电阻数字繁用表 + 红 黑 + - - 图1 传感器校准连线示意图.4 误码率检验按图2将传感器与标准转速仪、稳压电源、电阻、通用计数器连接在一起。按照不同转速，转动探头，从标准转速仪上分别读取传感器各校准点正、反转从启动到停止所转动的圈数，并同时从通用计数器上分别读取其脉冲示值。计算误码率。稳压电源1k电阻通用计数器标准转速仪探头传感器 + - 图2 传感器校准连线示意图6.5 测量距离校准逐渐拉大传感器端面与金属探头感应面之间的距离，从数字万用表上观察传感器输出电压的示值变化。当传感器的输出电压从低电平突变到高电平时，用钢卷尺测量传感器端面与金属探头感应面之间的距离。三、压力传感器、工作原理压力传感器按照用途可分为悬重、立管压力、套管压力和扭矩四种传感器。如图8，传感器的压力感应部分是一个集成压敏元件组成的惠斯顿电桥，由于硅材料的压阻效应，在恒压供电的条件下，桥路输出信号与被测压力成正比。该信号经过传感器内部电路处理，最后输出420mA电流信号。（1）安装时应注意的问题：a、安装时一定要在无压力状态下，这样才能保证快锁接头良好连接，压力良好地传递。b、由于管线内压力大，各处接点要采取密封措施。c、传感器安装的地方多水、泥浆和其它污染物，传感器和连接线点要采取保护措施。 d、传感器的电缆线要安放在比较隐蔽的地方，避免被上面掉下的物体损坏。 （2）调校方法根据传感器的量程和传感器输出电流的对应关系，按式（5）计算出传感器输出电流的理论值。I （16/M ）P + 4 （5）式中：I 传感器输出电流的理论值，单位为毫安（mA）； 图8：压力传感器内部电路图M 传感器的量程，单位为兆帕（MPa）；P 传感器承受的压力示值，单位为兆帕（MPa）。实际操作时可以先将万用表串联到压力传感器的测量电路中，测量传感器输出的电流，改变传感器的输入压力，根据式（5）判断传感器所输出的电流值是否正确。现场标定时，可以根据式（5）计算各种压力传感器的输出电流与压力之间的理论关系，确定传感器理论工作曲线，然后根据理论工作曲线进行标定。数字繁用表传感器仪器面板 + 红 黑 + - -图9 传感器检验连线示意图四、密度传感器钻井液密度是实现平衡钻井，提高钻井效率的一项重要的钻井液参数，也是反映钻井安全的重要参数。在正常情况下，泵入井内和从井内返出的钻井液密度应相等。但当有流体浸入时，返出的钻井液密度减小；钻入造浆地层或地层失水过大时，会引起密度增加。因此，监测钻井液密度的变化是及时发现井内异常，防止井喷、井漏等事故发生的重要手段。目前连续测量液体密度的方法大多采用微压差原理，即利用两个压力敏感探头检测液体在两个敏感探头上产生的压力差，然后将压力差送到传感器的变送器中进行数据处理、转换，再有二次仪表进行采集、处理，输出设备输出测量结果。其结构示意图如图15：变送器二次仪表输出设备压力敏感探头2压力敏感探头1上下压力敏感探头的距离为H，当浸入液体的密度为时，在两个探头上产生的压力差为：P=gH （6） H 式中：钻井液密度，Kg/m3； H两压力敏感探头间距离，m； P两个压力敏感探头之间 压力差，N/m2 ；g为重力加速度，N/Kg，一般取g=10 N/Kg当P取单位为KPa； 取单位为（g/cm3）； H取单位为cm时； 式（1）转变为： （7） 基于上述原理，密度传感器的类型主要有电容型远传隔膜式压差密度传感器，硅谐振式远传微压差密度传感器，扩散硅电阻型远传隔膜式密度传感器。我公司的密度传感器主要采用前两种方式。1，电容型远传隔膜式压差密度传感器电容式传感器是以差动电容原理为基础，根据固定高度间差压与密度的关系原理达到连续测量的目的。其结构示意图如图2。图2 电容式传感器测量原理示意图高压侧和低压侧的金属片分别与中间电极组成两个电容（C1和C2）。高压侧和低压侧腔室通过管线分别与传感器的压力敏感探头相连，管线与腔室内部充满硅油。当传感器暴露在空气中，两个压力敏感探头所受压力几乎相同，中间电极受力平衡，不发生移动，两侧电容相等；当传感器浸入到液体中，由于两个压力敏感探头所受压力不相等，压力传递到中间电极的两侧，在压差的作用下，中间电极变形向低压侧偏移，形成电容差。极板式电容器理论电容值为：S C= （3）d0式中：极板间介质的介电常数；S两极板正对面积； d0两极板间距离。当中间电极两侧的压差P为零时有：S C1=C2= =C （4）d0当中间电极两侧的压差P不等于零时有：S C1= （5）d0+dSC2= （6）d0d于是有： C1C2 P = （7） C1+C2 d0由于中间电极移动的距离d与压差成正比关系，即d=KP （8）由式（2）、（7）、（8）可得C1C2=K （9）其中 （C1+C2）H 2CHK= （dd） 10 d0 10 d0解调高频振荡器量程调节限流器初级信号差动信号共模信号零位及迁移调节标准电压恒流源由此可见，液体的密度值与电容差值成正比。同时经过处理电路拟合、解调、放大、转换，最后形成液体的密度值与输出电流成线性正比例。处理电路的工作框图见图3。图3 电容式传感器转换放大电路2. 硅谐振式远传微压差密度传感器单晶硅谐振式密度传感器是近年来发展的新型微压差传感器，传感器的核心部分是单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，分别在其表面的中心和边缘做成两个形状、大小完全一致的“H”形状的谐振梁，而且处于微型真空中（图4），使其既不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。由机械振动学可知，任何弹性振体，均可视作一个单自由度强迫振动的二阶系统，只要外力克服阻力，就可以产生谐振。单晶硅谐振梁处于永久磁铁 图4 硅谐振梁示意图 提供的磁场中，与变压器、放大器等组成一个正反馈回路中（图5），当激励变压器给谐振梁提供一激励电流时，处于磁场中的谐振梁产生电磁振荡，检测变压器检测出振荡信号，通过放大器放大，调节信号幅值和相位，反馈到激励变压器，使系统能可靠稳定地工作于闭环自激状态，以其自身固有的振动模态持续振动。同时两个硅谐振梁振荡信号的频率又分别被送到脉冲计数器，然后再将两个频率之差直接传递到CPU（微处理器）进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的420mADC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字通讯信号。当单晶硅片的上下表面受到压力差时硅片将产生形变，中心处受到压缩力，边缘处受到张力，因而两个“H”形状的谐振梁分别感受不同应变作用，其结果是中心谐振梁因受到压缩力而频率减少，边缘谐振梁因受到张力而频率增加，两个频率差对应不同的压力信号。其变化关系如图6所示。图5 硅谐振梁的自激振荡原理图图6 由差压形成的谐振梁的频率变化单晶硅谐振式传感器特性修正存储器内置存储器微处理器D/AD/A手持智能终端（BT200） 420mADCP（P） 及数字信号 膜盒组件 智能电器转换部件图7 智能变送器工作原理图在传感器的变送器电路中设有特性修正存储器存储传感器的环境温度特性、静压及输入/输出特性修正数据，CPU的运算，可以使变送器获得良好的温度特性和静压及输入/输出特性。同时还可以通过I/O口与外部设备（如手持智能终端BT200或BT275以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数字通信方式传递数据，对传感器的性能及量程进行设定。变送器的电路工作框图如图7。（2）技术指标测量范围： 0.8333.33 g/cm3（可调）；输出电流： 420mA；测量精度： 量程的0.075%；线性度： 所调校量程的0.5%；灵敏度： 0.01；稳定性： 每十二个月漂移小于量程的0.03%；工作温度： -2080；电源电压： 1245VDC目前密度传感器两个压力敏感探头之间距离有三种，即H=30 cm、H=45 cm、H=60 cm，根据式（7）计算液体密度值与压力差值之间的对应关系见下表。液体密度值与压力值对应关系数据表H30cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa2.884.235.586.938.28H45cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa4.326.3458.3710.39512.42H60cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa5.768.4611.1613.8616.56注：表中的H为传感器两个探头中心之间的距离。当传感器的测量范围为0.96g/cm32.76g/cm3时，液体密度值与理论电流值之间的对应关系见式（8）。I （16/M ）（0.96）4（8）式中：I传感器输出的理论电流值，单位为毫安（mA）；M传感器的量程，单位为克每立方厘米（g/cm3）密度值，单位为克每立方厘米（g/cm3）。根据式（4）、式（5）计算液体密度值、压力值与理论电流值之间的对应关系见下表。液体密度值、压力值与理论电流值对应关系数据表H30cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa2.884.235.586.938.28理论电流，mA4.008.0012.0016.0020.00H45cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa4.326.3458.3710.39512.42理论电流，mA4.008.0012.0016.0020.00H30cm密度，g/cm30.961.411.862.312.76对应压力，kPa5.768.4611.1613.8616.56理论电流，mA4.008.0012.0016.0020.00上述数据可以做为调校密度传感器的依据。二、安装使用方法及注意事项传感器的安装是录井仪器安装最重要的环节，安装性能的好坏决定了传感器性能的发挥，最终决定了录井资料质量和录井服务质量。下面介绍传感器的安装及注意事项：1、安装位置一般现场使用两个密度传感器，安装在泥浆罐中，要尽量靠近泥浆的出入口，随钻测量钻井液密度变化情况。 2、安装步骤（1），选择泥浆罐中液面较平稳且沉砂较少的地方，将传感器垂直固定牢固。沉砂较多容易埋没传感器的探头，使实际测量值偏大；传感器倾斜，将会使实际测量值偏小。同时采取必要的措施，防止泥浆或其它液体喷溅到传感器的变送器上，腐蚀传感器的外壳、损坏变送器内部电路。（2），传感器的感应探头较为敏感，安装时要尽量使传感器的探头背对着泥浆流动的方向，避免泥浆冲击力影响传感器的测量效果。（3），传感器的感应探头比较娇贵，不要用锋利的东西碰撞探头。且安装时，要尽量避免周围出现锋利物体。3、传感器加长电缆线的铺设电缆线一般采用铺设在泥浆罐表面上，因此要选取较隐蔽的地方，且采取必须的保护措施，防止现场工作人员的踩踏和意外砸碰。主要以安全、可靠且不影响井场工作人员现场操作为原则。4、传感器与加长电缆的连接密度传感器的二芯线定义：2#脚（红）：工作电源+24V；3#脚（黄）：输出信号。根据上述定义，将传感器的二芯线与电缆线二芯线的定义相对应连接，或者根据电缆线二芯线的定义直接将电缆线二芯线连接到传感器的接线端。连接时最好先断开电源，以免烧坏传感器或面板。连接后要在连接处采取密封、绝缘措施，防止进水短路。三、故障判断及排除方法密度传感器在使用过程中，常见的故障具体表现为：密度无信号；密度值测量不准；密度测量值大幅度漂移。根据现场经验，在传感器上可以从以下几个方面进行检测：1、 供电检查（1），密度传感器在使用过程中，一般的工作电压为24V。连接传感器后，用万用表测量传感器的2#脚与3#脚应接近24V。如果变化较大，可以判断传感器内部可能有短接故障。（2），进一步将传感器从电缆线上拆卸下来，测量前后工作电压，进行比较，判断故障点。（3），同时将传感器拆卸下来进行检查或维修：现场可以根据实际情况判断是否有进水的可能性，变送器内部的电路板是否有明显的烧坏点。2、 传感器输出信号检查在密度传感器随钻测量钻井液密度过程中，传感器输出信号应该在420mADC之间变化。如果信号不正常，在传感器上可以从以下几个方面检查：（1），检查与传感器相连的加长电缆线是否短路或断路：可以先用万用表在传感器输出端测量供电电压（2#脚与3#脚之间）和传感器的输出电流（将万用表串联在测量电路中），然后在仪器房内部测量传感器的供电电压及输出信号，二者的测量值相同或比较接近。否则可以判断加长电缆线有故障，现场可根据实际情况判断是短路、断路或者接触不良导致信号衰减过大。（2），将加长电缆线从测量电路中断开，一端将二芯线的头短接，另一端用万用表电阻档测量加长电缆线二根线之间的电阻，电阻值应该很小（大约在0.5）。否则可根据实际测量电阻的情况判断加长电缆线是短路、断路或者接触不良。此时应更换加长电缆线，然后进一步判断是否有其它故障点。（3），用其它输出信号为420mADC的传感器直接接在加长电缆线上，确定故障是否在加长电缆线上。（4），检查传感器的输出电流：当测量系统出现故障时，可以用万用表测量传感器的输出信号是否在420mADC之间，若小于4mA（最小不小于2.78mA）或大于20mA，则可以判断传感器出现故障，应更换传感器。（5），根据传感器所设定的测量范围（一般的测量范围为0.962.76 g/ml）与输出实际的电流信号（420mADC）的对应关系，结合实际钻井液密的度值进行计算传感器理论输出的电流值，与实际测量的电流值比较，判断传感器的测量位置是否合适（如传感器的探头被沉砂埋没，传感器的探头露出液面）及传感器的零位与放大倍数是否调校准确。此时应根据现场的实际情况逐一的进行排除。五、电导率传感器钻井液电阻（导）率是分析评价地层流体性质的一个重要参数，同时是检测钻井液中矿化度的基本方法。电解质溶液与金属导体一样是电的良导体，当电流流经电解质溶液时，呈现出一定的电阻。电阻（导）率传感器通常采用无电极方式，是由两个线圈组成的感应元件、温度补偿元件及支架等组成，见图16。图16 钻井液电导率传感器工作原理 感应元件的两个线圈，一个称为初级线圈，一个称为次级线圈。给初级线圈提供一个 20kHz,1.5V的交变电流驱动信号，在其周围产生一个交变电磁场，在次级线圈中感应出电流。当传感器处于空气中时，由于空气的导磁率很小，在次级线圈中感应出的电流很小。当传感器放置在泥浆中，可以设想有一根导线通过两磁环而闭合，那么初级线圈中磁通的变化会在该闭合导线中感应出电流，而该电流又会在次级线圈中感应出电