CN112784463B - 一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法，属于测井仪器领域，包括：S1：按照井中重力仪系统的内部结构绘制系统几何模型，系统结构模型包括内层温控模块、位移检测电路、骨架和保温瓶；S2：为系统结构模型中各个计算域赋予不同的材料属性，以建立传热物理场模型；S3：分析传热物理场模型中内层温控模块内的MEMS芯片所在区域的温度梯度；S4：当内层温控模块稳定工作时，对温度梯度进行分析获取环境产生的热量对整个井中重力仪系统的温升情况，并得到井中重力仪系统的温度仿真结果。本申请通过建模仿真规避了恒温环境无法保障的问题，能够准确分析出井中重力仪系统的温度仿真结果，温度仿真结果可以为实际测量提高参考，从而提高测量精度。
Description
技术领域
本发明属于测井仪器领域，更具体地，涉及一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法。
背景技术
井中重力仪是一种相对重力仪，可以进行重力的相对测量，在矿产资源勘探、油气储量监测等领域具有重大意义。温度会对仪器的测量精度造成一定的影响，研究仪器内部温度的分布是非常重要的课题。
在实际井下测量过程中，仪器每下降100米，仪器周围承受的环境温度要上升3℃。本发明中的井中重力仪，通过MEMS加工工艺制备，获得高精度的硅基弹簧-振子结构，其能够实现高精度的重力测量。但是MEMS基础结构为硅，硅对外界环境温度非常敏感，由环境温度变化引起的重力输出变化远远大于仪器本身精度指标。若重力传感器的恒温环境得不到保障，或环境温度的微弱变化无法得到准确的测量和补偿，将严重影响重力仪器的测量精度和一致性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其目的在于通过绘制系统几何模型并建立传热物理场模型，通过仿真分析MEMS芯片所在区域的温度梯度，进一步地推导出所述井中重力仪系统的温升情况得到温度仿真结果，由此解决现有技术中由于恒温环境得不到保障导致的测量精度不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法，包括：
S1：按照所述井中重力仪系统的内部结构绘制系统几何模型，所述系统结构模型包括：内层温控模块、位移检测电路、骨架和保温瓶；
S2：为所述系统结构模型中所述内层温控模块、所述位移检测电路、所述骨架和所述保温瓶各自对应的计算域赋予不同的材料属性，以建立传热物理场模型；
S3：分析所述传热物理场模型中所述内层温控模块内的MEMS芯片所在区域的温度梯度；
S4：当所述内层温控模块稳定工作时，对所述温度梯度进行分析获取环境产生的热量对整个所述井中重力仪系统的温升情况，并得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果。
在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：
S41：当所述内层温控模块稳定工作时，获取环境热量引起的所述温升情况；
S42：利用所述温升情况对所述井中重力仪系统的温度分布进行了数值模拟，得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果，所述温度仿真结果包括：温度分布云图和温度变化曲线。
在其中一个实施例中，所述步骤S42之后，所述方法还包括：
通过所述温度分布进行数值仿真得到温度预测结果，所述温度预测结果用于提前对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制。
在其中一个实施例中，所述步骤S4之后，所述方法还包括：S5：利用所述温度仿真结果对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制。
在其中一个实施例中，所述步骤S5包括：
求解所述井中重力仪设定温度下所对应的加热功率；
实时调节所述内层温控模块内安装的加热电阻对应的电压值和/或电阻值，以对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整，从而为所述MEMS芯片提供均匀的温度场，以实现对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整。
在其中一个实施例中，所述步骤S4之后，所述方法还包括：将所述温度仿真结果进行后处理后进行迭代计算以对所述传热物理场模型进行优化调节。
在其中一个实施例中，所述步骤S1包括：对所述井中重力仪系统中内部构造进行三维有限元分析，以绘制所述系统几何模型。
在其中一个实施例中，所述步骤S2包括：
为所述系统几何模型中各个内部构成添加对应的材料，所述材料包括：铜、PLA、FR4或钢，并设置恒压热容、密度和导热系数参数；
选择固体和流体传热物理场，再设置热源和热通量边界条件，从而建立所述传热物理场模型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明采用COMSOL Multiphysics对井中重力仪系统进行3D建模，并绘制包括内层温控模块、位移检测电路、骨架、保温瓶的系统几何模型，然后对系统几何模型中的这些计算域赋予了不同的材料属性，建立传热物理场模型；基于传热物理场模型分析了MEMS芯片所在区域的温度梯度；并进一步分析了当内层温控模块稳定工作时，环境产生的热量对整个井中重力仪系统的温升情况。并通过软件对井中重力仪系统的温度分布进行了数值模拟，得到了包括温度分布云图和温度变化曲线的温度仿真结果。本申请使用COMSOLMultiphysics进行建模仿真，规避了现有技术中由于恒温环境得不到保障导致的测量精度不高的问题，能够快速准确的分析出井中重力仪系统的温升结果，温度仿真结果为实际测量提高参考，从而提高测量精度。
2.本发明基于三维有限元分析分析井中重力仪系统的内部构造，对分析目标的几何形状等无要求，适用于任意形状三维目标的温度分布的仿真分析，适用性强。
3.本发明可以从温度仿真结果出发，掌握井中重力仪器系统内部的温度分布规律，优化结构使得温度分布均匀，有利于内层温控模块的温度控制。
4.本发明通过数值仿真，可以基于温度仿真结果做出预测得到温度预测结果，节约了实验的时间和价格成本，对下一步温度场的优化和实验提供了理论指导。
5.本发明可以自动求解井中重力仪设定温度下所对应的加热功率，从而更合理的设置加热电阻的电压、电阻等参数。本发明可以对重力仪器系统中任意区域进行温度梯度比较，相对于实际中利用温度传感器探头点测，更加灵活。
附图说明
图1是本发明实施例中井中重力仪系统的内部温度仿真方法的流程图；
图2是本发明实施例中井中重力仪系统对应的系统几何模型的正视图；
图3a是本发明实施例中MEMS芯片所在区域的网格剖分；
图3b是本发明实施例中井中重力仪系统中内层温控模块的网格剖分；
图3c是本发明实施例中井中重力仪系统的网格剖分；
图4a是本发明实施例中井中重力仪系统对应的温度分布云图；
图4b是本发明实施例中井中MEMS芯片所在区域对应的温度分布云图,整个横截面的温度梯度为80mK；
图4c是本发明实施例中井中MEMS芯片所在区域对应的温度分布云图,整个横截面的温度梯度为60mK；
图5是本发明实施例中井中重力仪系统对应的温度变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
井中重力仪系统中外层保温瓶的使用可以阻碍瓶内温度发生剧烈变化，井下的最高温度可能达到150℃，如果瓶内温度高于设定温度，内层温控模块将无法正常工作，内层温控采用了主动加热和自然散热的方法，经过一定的时间温度将到达动态的平衡，如果内层温控的外界环境温度高于内部温度，内部热量无法散发出去，温控系统将失去作用。
内层温控模块采用两层金属将MEMS芯片完全封闭，在下层金属上安装加热电阻，加热电阻通过温控电路进行实时调节。金属材料选用铜，下层金属被加热电阻加热，两层金属之间可以迅速给MEMS芯片提供一个均匀的温度场。将金属层和相关电路使用3D打印的保护壳封装，可以有效的防护温度波动对MEMS芯片的影响。
本发明提供了一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法，如图1所示，包括：S1：按照所述井中重力仪系统的内部结构绘制系统几何模型，所述系统结构模型包括：内层温控模块、位移检测电路、骨架和保温瓶；S2：为所述系统结构模型中所述内层温控模块、所述位移检测电路、所述骨架和所述保温瓶各自对应的计算域赋予不同的材料属性，以建立传热物理场模型；S3：分析所述传热物理场模型中所述内层温控模块内的MEMS芯片所在区域的温度梯度，其中，仿真分为两个部分，稳态求解和瞬态求解。稳态求解主要是求解MSMS芯片所在区域的温度场的分布，瞬态求解器是为了模拟内层温控模块散热对整个仪器内部的产生的温升。稳态求解器采用缺省设置，瞬态求解设置仿真时间为10h，存储步选择1s，计算步长改为“精确”；S4：当所述内层温控模块稳定工作时，对所述温度梯度进行分析获取环境产生的热量对整个所述井中重力仪系统的温升情况，并得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果。
图2整体几何模型的正视图，最外层是保温瓶，外型尺寸中Φ为50mm，长度230mm。所有的器件最终都固定在骨架上，以保证其强度和稳定性。MEMS芯片是重力传感器的核心探头，探头的温度梯度是仿真的重点。两个金属层把MEMS芯片完全包围，为其提供一个均匀的温度场。重力传感器和温度控制模块全部封装在保护壳内，用来保护内部器件和阻碍外部的环境温度波动。整个内层温控模块的几何尺寸为29mm*50mm*20mm。外壳固定在位移检测电路，位移检测电路用来读取重力数据的输出。
图3a是MEMS芯片所在区域的网格剖分，为了获得更加精确的数据，对这部分区域进行了网格加密。图3b是整个内层温控模块的网格剖分。图3c是整个重力仪器的网格剖分。
在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：S41：当所述内层温控模块稳定工作时，获取环境热量引起的所述温升情况；S42：利用所述温升情况对所述井中重力仪系统的温度分布进行了数值模拟，得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果，所述温度仿真结果包括：温度分布云图和温度变化曲线。
图4a是整个重力仪器的温度分布云图，热源为边界热源，功率恒定为1W，设置的环境温度为20℃，可以看出到达稳态后最高温度为55℃。图4b是MEMS芯片所在区域上表面的温度分布云图，整个横截面的温度梯度为80mK。图4c是MEMS芯片所在区域上表面的温度分布云图，整个横截面的温度梯度为60mK。图5是本发明实施例中井中重力仪系统对应的温度变化曲线。
在其中一个实施例中，所述步骤S42之后，所述方法还包括：通过所述温度分布进行数值仿真得到温度预测结果，所述温度预测结果用于提前对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制。
在其中一个实施例中，所述步骤S4之后，所述方法还包括：S5：利用所述温度仿真结果对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制。在其中一个实施例中，所述步骤S5包括：求解所述井中重力仪设定温度下所对应的加热功率；实时调节所述内层温控模块内安装的加热电阻对应的电压值和/或电阻值，以对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整，从而为所述MEMS芯片提供均匀的温度场，以实现对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整。
在其中一个实施例中，所述步骤S4之后，所述方法还包括：将所述温度仿真结果进行后处理后进行迭代计算以对所述传热物理场模型进行优化调节。具体的，当发现温度仿真结果与实测温度的差值超过阈值时，可以通过迭代计算修改传热物理场模型中的热源属性，从而提高温度仿真结果的准确性。
在其中一个实施例中，所述步骤S1包括：对所述井中重力仪系统中内部构造进行三维有限元分析，以绘制所述系统几何模型。
在其中一个实施例中，所述步骤S2包括：
为所述系统几何模型中各个内部构成添加对应的材料，所述材料包括：铜、PLA、FR4或钢，并设置恒压热容、密度和导热系数参数；
选择固体和流体传热物理场，再设置热源和热通量边界条件，从而建立所述传热物理场模型。
需要指出，以上所述及附图仅是本发明的优选实施方式。对于本技术领域的技术人员及研究者来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明可以做出若干改进，例如改变内层温控模块的长度或宽度等。这些改进也应被视为本发明的保护范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其特征在于，包括：
S1：按照所述井中重力仪系统的内部结构绘制系统几何模型，所述系统几何模型包括：内层温控模块、位移检测电路、骨架和保温瓶；
S2：为所述系统几何模型中所述内层温控模块、所述位移检测电路、所述骨架和所述保温瓶各自对应的计算域赋予不同的材料属性，以建立传热物理场模型；
S3：分析所述传热物理场模型中所述内层温控模块内的MEMS芯片所在区域的温度梯度；
S4：当所述内层温控模块稳定工作时，对所述温度梯度进行分析获取环境产生的热量对整个所述井中重力仪系统的温升情况，并得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果；
S5：利用所述温度仿真结果对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制；
所述步骤S2包括：为所述系统几何模型中各个内部构成添加对应的材料，所述材料包括：铜、PLA、FR4或钢，并设置恒压热容、密度和导热系数参数；选择固体和流体传热物理场，再设置热源和热通量边界条件，从而建立所述传热物理场模型；
所述步骤S5包括：求解所述井中重力仪设定温度下所对应的加热功率；实时调节所述内层温控模块内安装的加热电阻对应的电压值和/或电阻值，以对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整，从而为所述MEMS芯片提供均匀的温度场，以实现对所述井中重力仪系统的内部温度进行调整。
2.如权利要求1所述的井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41：当所述内层温控模块稳定工作时，获取环境热量引起的所述温升情况；
S42：利用所述温升情况对所述井中重力仪系统的温度分布进行了数值模拟，得到所述井中重力仪系统的温度仿真结果，所述温度仿真结果包括：温度分布云图和温度变化曲线。
3.如权利要求2所述的井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其特征在于，所述步骤S42之后，所述方法还包括：
通过所述温度分布进行数值仿真得到温度预测结果，所述温度预测结果用于提前对所述井中重力仪系统的内部温度进行控制。
4.如权利要求1-3任一项所述的井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其特征在于，所述步骤S4之后，所述方法还包括：
将所述温度仿真结果进行后处理后进行迭代计算以对所述传热物理场模型进行优化调节。
5.如权利要求1-3任一项所述的井中重力仪系统的内部温度仿真方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
对所述井中重力仪系统中内部构造进行三维有限元分析，以绘制所述系统几何模型。
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