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感应式电导率传感器测量原理

上海博取

2013/07/22

电导率即溶液单位长度的电导值,用于表征溶液的导电能力。在石油录井现场,通过对入口钻井液和出口钻井液的电导率值的比较分析,可以实时监测钻达地层的含油情况。因此,在录井现场电导率传感器的作用相当重要。
由于感应式电导率传感器适用于宽温、高湿、腐蚀、振动的使用条件,录井现场一般选用感应式电导率传感器。传统的感应式电导率传感器由于补偿模型本身的特点限制了测量精度,要想提高测量精度必须探寻新的补偿模型。另外,依据相关标准,录井现场使用的电导率传感器必须符合两线制(4~20mA)要求。要在4mA的电流内完成整个信号的发射、采集、处理和显示也是设计的难点所在。
1 感应式电导率传感器测量原理
感应式电导率传感器的测量原理见图1。定频率的交流电源加在初级线圈上,在初级线圈圆周截面上感应到一个定频率的交流感应电动势Uc。在Uc的作用下周围的流体形成一个电流回路,其交流电流为:I1=Uc/Rc次级线圈感应到I1/m(m为次级线圈匝数)的交流电流,通过对R1进行取压可以得到一个与流体电导率相关的交流
电压信号:

U0=R1@I1/m=R1@Uc/(Rc@m)由于系统中R1、Uc和m为常数,将/R1@Uc/m0记为K0,根据电阻计算公式,上式转化为:
U0=K0/Rc=K/[l/(C@s)]式中 C
流体的电导率,mS/cm;l流体等效电阻理论等效长度,cm;s
流体等效电阻的理论等效截面积,
cm2。
由于系统中l和s是常数,将/K0@s/l0记为K1,上式进一步等效为:U0=K1C即通过实时测量取压电阻的电压,就能等比例地算出流体的实时电导率值。
2 感应式电导率传感器的补偿原理
流体的电导率不仅取决于单位容积上的导电

粒子的数量,还取决于流体的温度。温度越高,导电粒子的活性越强,流体的电导率值越大;温度变低,导电粒子的活性减弱,流体的电导率值变小。工程上为了规范,将流体25e时的实时电导率值称为该流体的电导率值。
对于质量浓度确定的流体,它的实时电导率值与25e时的电导率值存在以下的函数关系:
C25+dt=C25(1+A@dt)式中 C25+dt
流体实时的电导率值,mS/cm;C25
流体25e时的电导率值,
mS/cm;
A流体的温度系数,对于钻井液而言,其温度系数一般在0.0191~ 0.0250/e;
dt流体实时的温度与25e的温差, 即(t-25)e。
因而,电导率传感器要实现通过测量流体实时的温度和电导率值,换算出流体25e下的电导
率值。
目前,感应式电导率传感器一般采用以下两种补偿模型。
①C25=K@Ut/Rt式中 C25
流体25e时的电导率值,mS/cm;Ut
对应于不同的温度,系统调制出的
对应于该温度的正弦波的幅值(该正弦波发射给初级线圈),V;
Rt
流体对应于实时温度的等效电阻
(等效电阻与探头物理形状有关), k8;
K
系统的放大系数,cm/V。
传统的感应式电导率传感器多采用该补偿模
型。为了克服Rt相对于温度的非线性,多采用多段拟合的方式,这样势必限制了测量精度,也给产品制作调试带来了不便。
②C25=C25+dt

/(1+A@dt)该模型的优点是将实时电导率值和实时温度的测量模块分开,便于电路的设计和系统的实现,而且便于通过软件修正达到很高的测量精度。本文所述的感应式电导率传感器选择此补偿模型。

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