传感器工作原理及故障判断方法

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1、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

2、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。图1：综合录井仪基本结构图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

3、 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

4、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

5、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

6、 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

7、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、D 2为发光二极管，发出红外线。T 1、T 2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

8、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

9、 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 ，

10、 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

11、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。（

12、）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

13、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 感器初步检查电源 + 电源 -黑表笔信号 A红表笔信号 B图

14、 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

15、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，低电平传感器 数字万用表小于 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

16、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