устройство для дистанционного измерения температуры

Формула изобретения

Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее термочувствительные элементы, включенные в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, усилитель сигналов разбаланса мостовой измерительной схемы, стабилизированный источник питания, импульсный преобразователь сигналов термочувствительных элементов, бронированный кабель связи, наземный блок обработки информации, включающий блоки питания, выделения, обработки и регистрации импульсного сигнала, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ограничитель тока, состоящий из двух идентичных резисторов, включенных в питающую диагональ мостовой схемы последовательно и симметрично относительно ее узловых точек, причем один из резисторов подключен к положительному, а другой - к отрицательному выводу стабилизированного источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры удаленных объектов и может быть использовано при проведении геотермических исследований, входящих в обязательный комплекс геофизических методов контроля за эксплуатацией нефтегазовых месторождений и подземных хранилищ газа.

Для указанных целей необходимы скважинные термометры, обладающие не только высокой точностью и высокой чувствительностью, но и малой тепловой инерцией. Так, исследованиями, проведенными на Осиповичском ПХГ, установлено, что тепловые эффекты, создаваемые движением жидкости или газа в заколонном пространстве скважин (за эксплуатационными колоннами), незначительны и для проведения работ по выявлению перетоков флюидов необходимы специальные термометры с погрешностью не более чем 0,05 К при пороге чувствительности 0,002 К (1). (Геотермические исследования скважин на Осиповичском ПХГ. Левашкевич В.Г., Хаецкий Ю.Б., Цемкало М.М., жур. "Газовая промышленность", №12, 1997 г., с.39 -41.)

Известен термометр, спускаемый на одножильном кабеле в исследуемую скважину, состоящий из термочувствительного элемента, включенного в частотно - задающую цепь релаксационного RC генератора (2). (А.с. SU №991190, кл. G01K 7/16, 1983 г.)

Недостатком данного технического решения является невозможность его использования в не заполненных жидкостью скважинах из-за перегрева чувствительного элемента в воздушной или газовой среде выше окружающей температуры, т.к. для получения приемлемой чувствительности требуется значительный ток и, следовательно, уровень мощности, рассеиваемой на термочувствительном элементе. (Установлено, что перегрев термочувствительного элемента в воздушной среде составляет около 1,3 К при рассеиваемой мощности 225 милливатт.)

Это приводит к изменению градуировочных характеристик указанных термометров, снижению их точности и разрешающей способности.

Кроме того, теплофизические характеристики флюидов, заполняющих рабочий объем градуировочного устройства и ствол исследуемой скважины, резко разнятся между собой, а в скважинных условиях - не остаются постоянными (например, за счет колебаний плотностей бурового раствора, или влагосодержания газа).

Все это в реальных условиях эксплуатации приводит к возникновению дополнительных погрешностей измерений, учесть которые трудно и практически невозможно.

Другим недостатком является большая тепловая инерция термочувствительного элемента, что приводит к "размазыванию" тепловых аномалий, регистрируемых вдоль оси скважины. Поэтому получение корректных результатов геотермических измерений оказывается возможно лишь при малых скоростях движения термометра вдоль оси скважины, что приводит к увеличению времени простоя скважин и финансовым потерям.

Поэтому указанные выше скважинные термометры не могут быть эффективно использованы для решения поставленных задач.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству для дистанционного измерения температуры является устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее термочувствительные элементы, включенные в противоположные плечи мостовой схемы, усилитель сигналов разбаланса, стабилизатор напряжения питания, преобразователь сигналов разбаланса в импульсный сигнал, конденсатор связи с каротажным кабелем и наземным измерительным блоком (3). (Патент на изобретение РФ №2193169, кл. G01K 7/24, 2002 г.)

Недостатком данного технического решения является невозможность применения высокоточных термочувствительных элементов на металлической основе (платиновых, медных, никелевых или вольфрамовых термометров сопротивления типов (ТСП, ТСМ, ЭТВ и др.), т.к. они выпускаются с низкими номинальными значениями сопротивления (как правило - десятки и первые сотни Ом). Поэтому через термочувствительные элементы (и другие элементы мостовой схемы) будут протекать значительные токи, что, в свою очередь, приведет к их перегреву, изменению градуировочных характеристик, снижению точности и разрешающей способности устройства. Поясним сказанное простыми расчетами.

Как показано в (3), на каждом из термочувствительных элементов падает половина напряжения питания измерительного моста. Следовательно, при напряжении питания U_пит=30 вольт (являющимся оптимальным для нормальной работы прецизионных операционных усилителей), падение напряжения на термочувствительных элементах составит по 15 вольт, что недопустимо по указанным выше причинам.

Таким образом, при использовании низкоомных термочувствительных элементов существует противоречие между:

- оптимальной величиной напряжения питания усилителя сигналов разбаланса и импульсного преобразователя,

- оптимальной величиной напряжения питания измерительного моста.

В таблице 1 приведены результаты расчетов токов - J, протекающих через термочувствительные элементы, рассеиваемой мощности на каждом из них - Р при различных значениях их сопротивлений - R, а также суммарной мощности - Р, рассеиваемой на всех элементах мостовой схемы.

Таблица 1
R, Ом	J, A	Р, Вт	Р, Вт
10	1,5	22,5	90
50	0,3	4,5	18
100	0,15	2,25	9
250	0,06	0,9	3,6
500	0,03	0,45	1,8
1000	0,015	0,225	0,9
5000	0,003	0,045	0,18
10000	0,0015	0,0225	0,09
20000	0,00075	0,01125	0,045
50000	0,0003	0,0045	0,018
100000	0,00015	0,00225	0,009

Задавшись величиной суммарной мощности, рассеиваемой на всех элементах мостовой схемы - Р 0,045 Вт (45 милливатт), можно прийти к выводу о том, что сопротивление термочувствительных элементов R должно быть 20000 Ом.

Анализ технических характеристик других известных термочувствительных элементов (термисторов и позисторов), обладающих большими значениями электрического сопротивления, показал, что они имеют нелинейную характеристику преобразования (температуры в сопротивление), большие отклонения от номинала, малую рассеиваемую мощность при высоких температурах, а также большую постоянную времени (таблицы 2 и 3), что не позволяет получать с их помощью требуемые (1) технические характеристики дистанционных термометров.

Поэтому практическая реализация указанного (3) технического решения затруднена из-за отсутствия в настоящее время высокоточных термочувствительных элементов с номинальными значениями сопротивления порядка 20000 Ом и малой тепловой инерцией.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения температуры и достоверности регистрации распределения теплового поля вдоль оси скважины.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что известное устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее термочувствительные элементы, включенные в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, усилитель сигналов разбаланса мостовой измерительной схемы, стабилизированный источник питания, импульсный преобразователь сигналов термочувствительных элементов, бронированный кабель связи, наземный блок обработки информации, включающий блоки питания, выделения, обработки и регистрации импульсного сигнала, согласно изобретению, дополнительно содержит ограничитель тока, состоящий из двух идентичных резисторов, включенных в питающую диагональ мостовой схемы последовательно и симметрично относительно ее узловых точек, причем один из резисторов подключен к положительному, а другой - к отрицательному выводу стабилизированного источника питания.

Указанная задача решается путем дополнительного введения резистивного ограничителя тока, выполненного в виде двух частей из идентичных резисторов, включенных последовательно в питающую диагональ мостовой схемы и симметрично относительно узловых точек и применения низкоомных высокоточных термочувствительных элементов с малой тепловой инерцией.

На чертеже показано схематическое изображение предлагаемого устройства, где:

1 - измерительный мост с термочувствительными элементами Rt ₁ и Rt₂, включенными в противоположные плечи мостовой схемы;

2 - стабилизатор напряжения питания мостовой схемы, усилителя сигналов разбаланса и импульсного преобразователя;

3 - усилитель сигналов разбаланса;

4 - балластный резистор стабилизатора напряжения питания;

5 - импульсный преобразователь (преобразователи "напряжение-частота", "аналог-время", "аналог-код", "аналог-цифра" и т.п.);

6 - конденсатор связи выхода импульсного преобразователя с бронированным кабелем;

7 - каротажный кабель;

8 - резистор нагрузки каротажного кабеля со стороны блока обработки информации (наземной панели);

9 - конденсатор связи каротажного кабеля с блоком обработки информации;

10 - ограничитель тока.

Такое техническое решение позволяет:

- ограничить ток, протекающий через элементы измерительного моста 1 на требуемом уровне и устранить существующее противоречие между величиной напряжения питания усилителя сигналов разбаланса 3, импульсного преобразователя 5 с величиной напряжения питания измерительного моста 1;

- применить низкоомные высокоточные термочувствительные элементы, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, обладающие малой массой и, следовательно, малой тепловой инерцией (например, термометрические элементы типа ЭТВ-1, ЭТВ-2, ЭТВ-3, ЭТВ-М4, ЭТВ-М5, ЭТВ-М6 и т.д.);

- повысить достоверность регистрации распределения теплового поля вдоль оси скважины при проведении геотермических исследований за счет устранения эффекта "размазывания" температурных аномалий, обусловленного значительной тепловой инерцией известных скважинных термометров.

Каждый из указанных признаков необходим, а все в совокупности достаточны для решения поставленных задач.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

При включении питающего напряжения U_пит, подающегося от наземной панели, измерительный мост 1 с резисторами R1, R2 термочувствительными элементами Rt₁ и Rt ₂ запитывается от стабилизатора напряжения 2 через ограничитель тока 10. При равенстве всех резисторов мостовой схемы Rt ₁=Rt₂=R1=R2 измерительный мост сбалансирован и напряжение, подаваемое на вход усилителя сигналов разбаланса, равно нулю.

Допустим для простоты рассуждений, что Rt ₁=Rt₂=R1=R2=100 Ом, а напряжение на выходе стабилизатора 2 равно 30 вольт. Тогда, ограничив ток питания мостовой схемы с помощью ограничителя тока 10 на уровне 1 миллиампера, получим в параллельных ветвях мостовой схемы (Rt ₁ - R1 и Rt₂ - R2) равные токи по 500 микроампер (5×10^-4 ампера).

Мощность, рассеиваемая элементами Rt₁ и R1 мостовой схемы - P₁, составит:

P₁=J²×(Rt ₁+R1)=5×10^-4×5×10 ^-4×(100+100)=25×10^-8×200=50×10 ^-6 (Вт) или 50 микроватт.

Мощность, рассеиваемая элементами Rt₂ и R2 мостовой схемы - Р ₂, также составит 50 микроватт.

Суммарная мощность, рассеиваемая всеми элементами мостовой схемы - P, составит:

P=P₁+Р₂=100 микроватт.

Приведенные расчеты позволяют обоснованно считать, что при таком уровне суммарной мощности, рассеиваемой всеми элементами мостовой схемы, сколь - либо заметного разогрева термочувствительных элементов Rt₁ и Rt₂ не произойдет.

Следует отметить, что существует возможность дальнейшего уменьшения температуры нагрева термочувствительных элементов Rt₁ и Rt₂ за счет расположения других элементов мостовой схемы - R1 и R2 на значительном удалении от элементов Rt₁ и Rt₂ (внутри корпуса термометра), что является резервом для увеличения тока через термочувствительные элементы, т.е. резервом для увеличения чувствительности термометра.

Кроме того, такая концепция построения измерительной схемы скважинного термометра позволяет исключить стабилизаторы тока, обозначенные в (3) как R1 и R2, и заменить их простыми резисторами, поскольку функции стабилизаторов тока эффективно выполняет высокоомный ограничитель тока 10. Действительно, при Rt₁ =Rt₂=R1=R2=100 Ом, напряжении на выходе стабилизатора 2, равном 30 вольт, и токе питания мостовой схемы 1, равном 1 миллиамперу, изменение тока в параллельных ветвях мостовой схемы (Rt₁ - R1 и Rt ₂ - R2) за счет изменения сопротивления термочувствительных элементов Rt₁ и Rt₂ под действием измеряемой температуры будет пренебрежимо малым, поскольку внутреннее сопротивление ограничителя тока 10 велико (порядка 30 килоом).

Таблица 2 Основные параметры термисторов
Тип	Номинальное сопротивление* при 20°С	Допустимое отклонение сопротивления от номинального, %	Коэффициент В, К	ТКС при 20°С, % град	Интервал рабочих температур, °С		Допустимая мощность рассеяния, мВт, не более		Постоянная времени, с, не более
					от	до	при 20°С	При tmax
КМТ-1	22...1000 кОм	20	3600...7.00	4,2...8,4	-60	+180	1000	0,3	85
КМТ-4	22...1000 кОм	20	3600...7200	4,2...8,4	-60	+125	800	0,3	115
КМТ-8	0,1...10 кОм	10; 20	3600...7200	4,2...8,4	-40	+70	600	1	-
КМТ-12	0,1...10 кОм	30	3600	4,2	-40	+120	-	0,3	-
КМТ-17	0,3...20 кОм	10; 20	3600	4,2	-60	+155	500	0,1	30
ММТ-1	1...220 кОм	20	2060...4300	2,4...5	-60	+125	600	0,4	85
ММТ-4	1...220 кОм						700	0,5	115
ММТ-8	1...1000 Ом	10; 20	2060...3430	2,4...4	-40	+70	600	2	-
ММТ-9	10...4700 Ом	10; 20	2060...4300	2,4...5	-60	+125	-	2	-
ММТ-12	4,7...1000 Ом	30	2060...3430	2,4...4	-60	+120	-	0,5	-
ММТ-13	10...2200 Ом	20	2060...4300	2,4...5	-60	+125	-	0,3	-
СТ1-17	0,3...22 кОм	10; 20	3600...6000	4,2...7	-60	+100	500	0,1	30
СТ3-17	33; 47; 68; 100; 150; 220; 3300 Ом	10; 20	2580...3860	3...4,5	-60	+100	500	0,2	30
СТ3-23	2,2; 2,7; 3,3; 3,9;	10; 20	2600...3200	3...3,75	0	+125	-	3	-
	4,7 Ом
* Промежуточные значение номинальных сопротивлений соответствуют шкале ГОСТ 2825-67

Таблица 3 Основные параметры позисторов
Тип	Номинальное сопротивление 20°С, кОм	Интервал температур положительного ТКС, °С	Интервал температур максимального ТКС, °С	Максимальный ТКС, %/°С	Кратность изменения сопротивления*	Интервал рабочих температур, °С		Допустимая мощность рассеяния, Вт	Постоянная времени, с, не более
						от	до
CT5-1	0,02...0,15	100...200	125...135	20	1000	-20	+200	1,6	20
CT6-1A	0,04...0,4	40...155	90...120	10	1000	-60	+155	1,1	20
СТ6-1Б	0,1...0,7	20...125	70...100	15	10000	-60	+125	0,8	20
СТ6-2Б	0,01...0,1	0...125	70...95	15	10000	-60	+125	1,3	-
СТ6-3Б	1...10	10...125	60...90	15	10000	-60	+125	0,2	5
СТ6-4Б	0,1...0,4	20...125	70...100	15	10000	-60	+125	0,8	40
СТ6-4В	0,5...3	0...125	55...95	10	1000	-60	+125	0,8	40
СТ6-4Г	0,1...50	-20...+125	10...70	2...8	5...80	-60	+125	0,8	40
СТ6-5Б	0,003...0,02	20...125	70...100	15	1000	-60	+125	2,5	10
* Минимальные значения (в области положительного ТКС).