способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, включающий подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали тензомоста U₁, отличающийся тем, что при смене направления тока питания тензомоста совмещают питающую и измерительную диагонали и измеряют напряжение U₂, а значение давления и температуры определяют из соотношений





где P, T - соответственно давление (кгс/см²) и температура (^oC) в месте нахождения скважинной части прибора;

I - значение питающего тока, мА;

R_p,R_t - приращение активных сопротивлений тензодатчика от изменения измеряемых параметров давления и температуры, Ом;

K_p - коэффициент пропорциональности давления, кгс/см² Ом;

K_t - коэффициент пропорциональности температуры, град/Ом;

U_o-I R_pH - падение напряжения на диагонали питания тензомостового датчика (при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре), мВ;

U₁, U₂ - измеряемые напряжения, мВ;

R_pH - номинальное сопротивление тензомоста (равное номинальному сопротивлению одного тензорезистора), Ом.

2. Устройство для дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее тензопреобразователь давления (тензомост), четырехпроводную линию связи, источник тока, измерительно-вычислительное устройство, отличающееся тем, что источник тока выполнен двухполярным, введены две развязывающие диодные цепочки, каждая из которых подключена одними выводами к упомянутому источнику тока, а другими двумя выводами - параллельно тензорезисторам, включенным в противоположные плечи тензомоста, измерительно-вычислительное устройство подключено к измерительной диагонали тензомоста.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геофизических параметров в скважине, преобразуемых в изменение активного сопротивления резистивного датчика с использованием четырехпроводной линии связи.

Известны способы и устройства для дистанционного измерения давления [1] и температуры [2] , использующие четырехпроводную линию связи. Однако невозможность внесения поправки на изменение температуры при изменении давления [1] снижает точность измерения давления, т.к. не известна температура самого тензопреобразователя, а при измерении температуры скважинным дистанционным термометром [2] необходимы два датчика температуры, что усложняет устройство.

Известен способ измерения давления и температуры в скважине одним датчиком (тензомостом) [3] , включающий подачу тока на датчик, измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров.

Известное устройство для измерения давления и температуры, выбранное в качестве прототипа [3] , содержит мостовой тензопреобразователь давления (тензомост), четырехпроводную линию связи (трехжильный геофизический кабель), три источника тока.

Недостатком известного способа и устройства является наличие трех источников тока, что усложняет устройство и, кроме того, создает трудности получения одинаковых токов, наличие шести нелинейных ключевых элементов (диодов), включенных в измерительную цепь, и подбор их попарно с одинаковыми вольт-амперными характеристиками также представляет значительную сложность и увеличивает дополнительную погрешность при изменении их температуры, что снижает точность измерения напряжения на выходах источника тока. Кроме того, в производственных условиях невозможно включить диоды в разрыв плеч тензомоста. Это может сделать только завод-изготовитель датчиков.

Подгонка сопротивления линии связи к одинаковому значению между собой вызывает определенную трудность и при изменении температуры приводит к появлению дополнительной погрешности за счет разного количества меди в проводах.

Цель изобретения - повышение точности способа и упрощение устройства измерения за счет использования стандартного мостового датчика (без переделки), повышения чувствительности по напряжению, исключения нелинейных ключевых элементов (диодов) из измерительной цепи, устранения влияния сопротивления проводов линии связи. Использование брони в данном случае не приводит к уменьшению точности измерения.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения давления и температуры одним датчиком, включающем подачу тока на диагональ питания стандартного тензомостового датчика и измерение напряжения на магистральной диагонали U₁, согласно изобретению при смене направления тока питания тензомоста совмещают питающую и измерительную диагонали и измеряют напряжение U₂, а значения давления и температуры определяют из соотношений:

P= K_pR_p= U₁/I;



где

P, T - соответственно давление (кгс/см²) и температура (^oC) в месте нахождения скважинной части прибора;

I - значение питающего тока (мА);

R_p,R_t- приращение активных сопротивлений тензодатчика от изменения измеряемых параметров давления и температуры (Ом);

K_p - коэффициент пропорциональности давления (кгс/см²Ом);

K_t - коэффициент пропорциональности температуры (град/Ом);

U₀ = IR_рн - падение напряжения на диагонали питания тензомостового датчика (при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре) (мВ);

U₁, U₂ - измеряемые напряжения (мВ);

R_рн - номинальное сопротивление тензомоста (равное номинальному сопротивлению одного тензорезистора) (Ом).

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее стандартный тензопреобразователь давления (тензомост), четырехпроводную линию связи, измерительно-вычислительное устройство, согласно изобретению снабжено двумя развязывающими диодными цепочками 5-6, 7-8, подключенными одними выводами через провода линии связи 9, 12 к двухполярному источнику тока, а другими двумя выводами параллельно тензорезисторам 1 и 4, включенным в противоположные плечи тензомоста.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая способ, на фиг. 2 - устройство для осуществления способа.

Способ осуществляется следующим образом. Измерительная цепь содержит мост с тензорезисторами 1, 2, 3, 4, имеющими равные номинальные значения сопротивлений R_pн, где тензорезисторы 1, 4 получают положительное приращение сопротивления R_p, а тензорезисторы 2, 3 отрицательное приращение сопротивления R_p при увеличении измеряемого давления, а при изменении температуры все плечи тензомоста получают одинаковое приращение R_t , четырехпроводную линию связи с активными сопротивлениями проводов соответственно 9, 10, 11, 12.

Способ измерения давления и температуры одним датчиком осуществляется в следующей последовательности.

К питающим двухплечий тензомостовой датчик проводам 9 и 12 подают ток одной полярности и измеряют напряжения между потенциальными проводами 10 и 11 (U₁), а затем при подаче тока другой полярности на тензомостовой датчик также измеряют напряжение между потенциальными проводами 10 и 11 (U₂). Поскольку применяется схема с потенциальными зажимами, то абсолютная величина сопротивления проводов линии связи не влияет на точность измерений. Значения давления и температуры определяют из соотношений:





Разрешая уравнение (1) относительно R_p, получим



а давление определяют, заранее определив коэффициент пропорциональности K_p градуировкой тензодатчика в функции давления

P=K_pR_p. (4)

Разрешая уравнение (2) относительно R_t, R_t, получим



где

U₀ = IR_pн - падение напряжения на диагонали питания тензомостового датчика (при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре).

Тогда значение температуры определяется из соотношения

T=K_tR_t , (6)

определив заранее коэффициент K_t градуировкой тензодатчика в функции температуры.

Устройство для одновременного измерения давления и температуры одним датчиком содержит стандартный мостовой датчик давления с тензорезисторами 1, 2, 3, 4, четырехпроводную линию связи, которая представляет собой трехжильный бронированный геофизический кабель с сопротивлением каждой жилы соответственно 9, 10, 11, 12, четыре нелинейных ключевых элемента (диода) 5, 6, 7, 8.

Устройство имеет двухполярный источник тока 13 и измерительно-вычислительное устройство (ИВУ) 14.

Мостовой датчик давления имеет равные номинальные значения сопротивлений тензорезисторов R_рн, которые получают равные и противоположные по знаку приращения сопротивлений от изменения давления и равные приращения сопротивлений тензорезисторов от изменения температуры, т.е. текущее значение сопротивления тензорезисторов 1 и 4 определяется выражением

R_pн+R_p+R_t ,

а тензорезисторов 2 и 3 в этом случае выражением

R_pн-R_p+R_t

при увеличении давления и температуры.

Выводы источника тока соединены через провода линии связи 9, 12, с развязывающими диодными цепочками 5-6 и 7-8, включенными параллельно с тензорезисторами 1 и 4 соответственно, а измерительно-вычислительное устройство (ИВУ) через провода линии связи 10, 11 с измерительной диагональю тензомостового датчика.

Устройство для реализации способа измерения давления и температуры одним датчиком работает следующим образом.

В момент подачи положительного импульса тока от источника тока 13 к тезомостовому датчику напряжения U₁ на входе ИВУ 14 равно



где

I - значение питающего тока;

R_pн - номинальное сопротивление тензомоста (при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре);

R_p,R_t - приращение активного сопротивления тензорезистора соответственно от изменения измеряемых давления и температуры,

которое преобразуется в ИВУ 14 в цифровой код N₁ (Ом):



где a - коэффициент преобразования, (1/мА).

Далее в момент подачи источником тока 13 отрицательного импульса тока к тензодатчику на вход ИВУ 14 подается напряжение U₂, которое определяют из соотношения:



Оно преобразуется в ИВУ 14 в цифровой код N₂, (Ом):



Информация о напряжениях 4 U₁, U₂ в виде кодов N₁, N₂ последовательно поступает в измерительно-вычислительное устройство ИВУ 14. В ИВУ осуществляется определение приращений сопротивлений, вызванных изменением давления и температуры, по следующим алгоритмам:

N₁=aU₁=aIR_p ; (11)

N₂=aU₂=aI(R_pн+R_t)=N₀+aIR_t , (12)

где

N₀ = aU₀ = aIR_pн - цифровой код, равный падению напряжения на диагонали питания тензомостового датчика (при отсутствии давления и заданной начальной температуре) (Ом).

Обеспечивая равенство a = 1/I, получим алгоритм приращений сопротивлений:

R_p=N₁ ; (13)

R_t=N₂-N₀. (14)

Измеряемые одним датчиком параметры, давление и температура, - вычисляются умножением результатов на коэффициенты пропорциональности соответственно K_p и K_t, определяемые при снятии градуировочных характеристик датчика раздельно при действии давления и температуры:

P=K_pR_p=K_pN₁ ;(15)

T=K_tR_t=K_t(N₂-N₀). (16)

Измеряемая информация может быть выведена на отдельные блоки индикации давления и температуры, на печать или поступать на ЭВМ для дальнейшего хранения, обработки и использования.

Таким образом, способ и устройство измерения давления и температуры, например, в скважинах позволяет при измерении давления и температуры одним датчиком по четырехпроводной линии связи (по трехжильному бронированному геофизическому кабелю) расширить область использования указанных датчиков, их функциональные возможности, повысить чувствительность по напряжению, точность измерения и упростить устройство за счет устранения влияния на точность измерений канала связи (активного сопротивления линии связи), использование брони кабеля в данном случае не приводит к уменьшению точности измерения поскольку броня находится в цепи источника и падение напряжения на ней, даже нестационарное, не влияет на напряжения, измеряемые ИВУ, устранение из измерительной цепи ключевых элементов, подбор которых трудно обеспечить. Использование одного двухполярного источника тока вместо трех, у которых трудно обеспечить равенство токов, также упрощает устройство.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности для исследования нефтяных и газовых скважин, а также для исследования высокотемпературных парогидротермальных скважин, предназначенных для получения пара из недр земли для геотермальных станций.

Список использованной литературы.

1. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 133 - 135.

2. Л.И. Померанц, Д.В. Белоконь, В.Ф. Козляр. Аппаратура и оборудование геофизических методов исследования скважин. М. "Недра", с. 197.

3. Коловертнов Г.Ю., Ишинбаев Н.А., Коловертнов Ю.Д. Измерение давления и температуры в скважине одним датчиком. В сб. "Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях". Новый Уренгой, 1994, (11 н. -т. конференция. Том 2, с. 6 - 8).