传感器工作原理及故障判断方法

（５）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。
主要故障点为
（１）传感器探头部分故障：损坏、污染、位置变动；
（２）传感器内部电路损坏（光电耦合式）；
（３）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：
（１）传感器初步检查
电源 +
电源-黑表笔
信号A红表笔
信号B
图６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３ 可以看出：只有传感器的信号Ａ（Ｂ）与０Ｖ（地）之间的电阻比较小，电源与０Ｖ（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。
（５）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。
４、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。
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）。
光电耦合式绞车传感器的四芯线定义：
1#脚空； ３#脚：输出脉冲信号Ａ；
２#脚：工作电源５V（８Ｖ）； 4#脚：输出脉冲信号Ｂ。
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。
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90º的脉冲信号。如图4所示：
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。
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。
电源 + +
电源--
信号A
信号B
黑表笔
红表笔
图７传感器检验连线示意图
（４）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。
６、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/min～600r/min
1套
2
数字万用表
41/2位
0V～1000V
1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
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。
（３）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。
（４）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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA。
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。
（１）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５邻近探头式绞车传感器
２、绞车传感器的主要技术指标
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
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。
（２）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。
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
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。
（３）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3.６V）。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：
（２）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。
1
稳压电源
24VDC
1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
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。
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）。
（２）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。
绞车传感器在正常工作情况下，主要有以下技术指标：
① 工作电压：3～15V（DC），一般采用5V（DC）供电。
② 输出脉冲信号电平：高电平≥4.3V；低电平≤0.5V(5V供电时)。
③ 动作响应时间：150us。
④ 灵敏度：7.5º/脉冲（每周48个脉冲）。
⑤ 精确度：±1脉冲（传感器转动一周）。
３、安装使用方法及注意事项