工程用井中溫度測量儀的研制及應用*

吳 鵬 耿麗霞 路 杰 鄭 勇

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學儀器研究院，武漢 430071 3)黑龍江省水文地質工程地質勘察院，哈爾濱150027)

工程用井中溫度測量儀的研制及應用*

吳 鵬1，2)耿麗霞3)路 杰1，2)鄭 勇1，2)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學儀器研究院，武漢 430071 3)黑龍江省水文地質工程地質勘察院，哈爾濱150027)

根據實際需要設計了一款井溫測量儀，該儀器采用感溫原理和數字技術實現工地現場的井溫測量以及數據處理。并將溫度測量儀與井溫測量方法相結合，從而實現了比較可靠的井溫測量。

地鐵;勘探孔;井溫;溫度測量儀;地溫物探

1 引言

在一些工程項目中，需要測量地表淺層的溫度，并要求測量深度能夠達到100 m，而傳統的溫度測量儀一般都是進行近距離測量，無法實現遠距離的溫度測量，為了滿足井溫測量項目要求，必須使用能進行遠距離測量的溫度測量儀。因此，在傳統溫度測量儀無法使用的情況下，我們在充分考慮到井溫測量儀的關鍵技術難度以及實現難度的基礎上，根據自己的設計方案進行一系列的基礎實驗?？紤]到在野外工作溫度探頭容易損壞以及節約成本，采用負溫度系數敏感度高、一致性好、成本低易封裝的9014晶體管作為溫度傳感器，制作高精度的恒流源，使流過PN結的電流恒定，測量PN結上的電壓差，從而得到溫度的變化［1］。目前，該井溫測量儀已經應用于武漢地區地鐵1～8號線的勘探孔的井溫測量中，應用效果較好。

2 井溫測量儀系統工作原理及結構

PN結溫度傳感器是一種新型半導體敏感器件，它是一種負溫度系數溫度-電壓轉換器件。它兼有熱電耦、鉑電阻、熱敏電阻的各自優點，又克服了這些傳統測溫器件難以克服的某些固有缺陷，它靈敏度比熱電耦K分度高出50倍，線性度優于熱敏電阻30倍，響應速度比一般鉑電阻快20倍以上。它體積小，響應速度快，線性度好，是常溫內比較理想的感溫器件。

二極管特性與溫度有很大關系，當二極管的正向電壓和當晶體管的集電極-發射極之間流過一定的電流時，基極-發射極間的電壓均隨溫度發生變化，PN結溫度每改變1度，則PN結的電壓約變化2 mV。PN結正向壓降隨著溫度T的上升而下降，近似線性關系。因此，利用電壓對溫度的依賴關系制成PN結溫度傳感器。硅晶體管可作為測量-50～100℃溫度范圍的溫度傳感器，其精度為正負1%。如圖1為硅PN結正向電壓與溫度的關系曲線［2，3］。

圖1 硅PN結正向電壓與溫度的關系Fig.1 Relation between forward voltage of silicon PN junction and temperature

本文所介紹的井溫測量儀的主要測量原理是根據晶體管的PN結電阻隨著溫度的變化會產生線性變化，因此，通過制作高精度、高穩定度的恒流源來保證流過晶體管的PN結的電流恒定，測量PN結上的電壓差來實現溫度的測量。井溫測量儀的結構框圖如圖2。

在整個系統中，電源部分采用12V/1.3Ah的蓄電池進行供電，體積小，持續使用時間長。該電源輸出紋波系數小，具有很好的穩定度。在晶體管的選擇上，通過選擇具有負溫度系數、敏感度高、一致性好的晶體管作為溫度傳感器，與此同時，為了減小和消除測量電纜的損耗對測量結果的影響，我們設計了毫安級的高精度恒流源。恒流源部分，采用的是高精度高穩定度的基準電壓芯片作為恒壓輸出，系統采用 AD584作為電壓基準，其溫度飄移為5 ppm/℃。溫度顯示方面，采用四位半的數字表頭對采樣電阻兩端電壓進行測量，并顯示當前測量的電壓值，通過選擇數字表頭的量程檔位實現當前所測溫度的顯示，該井溫測量儀的分辨力可以達到0.01℃、精度為0.1℃(采用量程為100℃，精度為0.01℃的酒精溫度計進行標定)。整個系統具有功耗低，攜帶方便，工作穩定度和可靠性高等優點。

圖2 井溫測量儀結構框圖Fig.2 Block chart of well temperature measuring instrument’s structure

3 儀器探頭選取及溫度標定

在實際的工程井溫測量中，測溫探頭一般都是深埋數十米井下，并用沙土進行填實。因此，溫度測量工作結束后，探頭回收比較困難。同時，按甲方要求，同一口勘探孔，需要對不同深度的溫度進行測量，此時需要布置數個探頭進行測量。因此，選擇價格比較低廉的晶體管PN結作為溫度傳感器。為了保證溫度測量的可靠性和準確性，選取溫度特性一致性比較好的晶體管作為一組，最大程度地消除探頭固有特性偏差對溫度測量造成的影響。

探頭選?。涸诖罅烤w管中挑選放大倍數一致性比較好的晶體管作為一組，并分別進行標號，然后采用環氧樹脂將PN結封裝在薄金屬套管內。使其達到絕緣密封、導熱、防水的效果［4］。

井溫儀標定：在室溫環境下，分別在冰水混合物以及沸水中對選取的探頭進行溫度標定，并記錄下每個探頭對應溫度的電壓輸出值。最后在恒溫槽中，設定溫度為36℃，對溫度探頭進行進一步的溫度標定，同時記錄下此時所測的溫度數據。最后在數據處理中選取冰水混合物及36℃兩個點分別取平均值，確定探頭輸出電壓值隨溫度變化的斜率K，則根據公式K=(U-U0)/(T-T0)(其中，T為所需的溫度數據，T0為0℃的溫度，U為PN結兩端電壓，U0是溫度為0℃時，PN結兩端的電壓，K為PN結輸出電壓隨溫度變化的斜率)，即可得到溫度數據。

測量誤差：本系統分別在冰水混合物中0℃、35.9℃、20℃、14℃及98℃等5個溫度點(基本函蓋了應用溫度范圍)進行了測量，經過分析，實際測量溫度與酒精溫度計比照溫度誤差平均值不超過0.1℃，滿足地溫測量要求。

4 井溫儀的實際應用

應武漢市政工程的要求，我們于2009年12月16日在武昌區紫陽湖附近的一地鐵標段的兩口FtJz4-III09-FS-7號和FtJz4-III09-FS-13號勘探井進行井溫測量。具體測量方法如下：

1)每鉆孔所用6根電纜的長度，與設計要求測量的6個深度相應，每根電纜下端與探頭相接，為了確保有良好的防水密封性能，接頭處均用環氧樹脂密封。

2)當溫度傳感器(探頭)被送到鉆孔中的相應深度后，隨即測量其是否處于正常工作狀態，得到確認后再用細砂填埋到井口。當對鉆井填埋好后，分別對兩口鉆井溫度進行測量，再次確認探頭在埋砂過程中未被損壞。

3)當認為地溫基本處于平衡狀態，在埋砂后的第四天、第六天和第八天均對兩孔的不同深度各測兩組數據取其平均值。

按照上述測量方法，將兩個孔的溫度探頭部署完畢后，分別以間隔如步驟(3)所提到的時間對孔溫進行測量。

測量獲得兩個鉆孔不同深度的地溫測量結果如表1和表2所示(其中12月16日為埋土當天實測值，12月20日、22日、24日為井溫處于平衡狀態時的實際值)。

圖3為FtJz4-III09-FS-7號孔的地溫測量結果，14～29 m均處于恒溫層范圍，恒溫層溫度約為21℃ 。從圖3可發現，FtJz4-III09-FS-7號孔，17.23 m深處比恒溫層溫度(21℃)低0.46℃，分析其原因可能是因為是地下水活動所致;25 m深處也是同樣的原因造成溫度較低。

表1 FtJz4-III09-FS-7號孔溫度實測值Tab.1 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-7 hole

表2 FtJz4-III09-FS-13號孔溫度實測值Tab.2 Measured of temperature FtJz4-III09-FS-13th hole

圖4為FtJz4-III09-FS-13號孔的地溫測量結果。從圖 4可知，FtJz4-III09-FS-13號孔，25.08 m及28.08 m深處分別比恒溫層溫度(21℃)低0.46℃和0.71℃，分析其原因，我們認為是地下水活動，降低了溫度(后經證實，該孔確有漏水)，而29 m深處，地下水活動的影響比小，故溫度又趨近于21℃，地下水的補給有可能來自紫陽湖，且兩孔溫度降低的深度大致相等。

圖3 FtJz4-III09-FS-7號孔溫度實測曲線Fig.3 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-7 hole

圖4 FtJz4-III09-FS-13號孔溫度實測曲線Fig.4 Measured temperature curve of FtJz4-III09-FS-13th hole temperature

5 結論

本井溫測量儀已經用于武漢地區1～8號線勘探孔的溫度測量，測量結果能比較客觀、真實地反映勘探孔的溫度情況。

1 W.H.弗特爾，朱德一.井下溫度對地層評價的影響［J］.測井技術，1980，(1)：27-33.

2 方俊鑫，陸棟.固體物理學(下冊)［M］.上海：上?？茖W技術出版社，1981.

3 陳水橋.PN結正向壓降溫度特性的研究和應用［J］.物理實驗，2000，20(7)：7-9.

4 張維新.半導體傳感器［M］.天津：天津大學出版社，1999.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF TEMPERATURE MEASURING INSTRUMENT IN WELLS FOR ENGINEERING

Wu Peng1，2)，Gen Lixia3)，Lu Jie1，2)and Zheng Yong1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Wuhan Institute of Earthquake Instruments，Wuhan 430071 3)Hydrogeolgy and Engineering Geology Prospecting Institute of Heilongjiang Province，Haerbin150027)

There is an actual need for designing a new well temperature measuring instrument which is based on feeling thermometry principle and realization of digital technology for well temperature measurement and data processing on site.This temperature measuring instrument combines with well temperature measurement methods，thus it is more reliable than the common well temperature measurement.

subway;exploration hole;well temperature;temperature measuring instrument;geothermal exploration

1671-5942(2011)Supp.-0161-04

2011-03-12

吳鵬，男，1985年生，碩士，助理工程師，主要從事智能儀器的設計與開發研究.E-mail：beloved_Wupeng@126.com

TH762

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