Способ измерения давления и температуры одним датчиком и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности для дистанционного измерения давления и температуры одним тензомостом (датчиком) с использованием трехпроводной линии связи. Сущность изобретения: способ основан на измерении подачи тока на диагональ питания тензомоста, измерении напряжений на выводах источника тока и определении значений давления и температуры. Дополнительно измеряют напряжения на выводах источника тока, между одним питающим тензомост проводом и потенциальным и между другим питающим тензомост проводом и потенциальным, а значения давления и температуры определяют из приведенных математических соотношений. Устройство для осуществления способа содержит мостовой тензопреобразователь давления (тензомост), линию связи и источник тока. Причем выводы источника тока соединены непосредственно с двумя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя и через питающих провода линии связи с диагональю питания тензомоста. Одним из выводов измерительной диагонали тензомоста через третий потенциальный провод линии связи соединен с третьим входом МАЦП, выход которого подключен к микропроцессорному блоку. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности для дистанционного измерения давления и температуры одним тензомостом (датчиком) с использованием трехпроводной линии связи.

Известны способы и устройства для дистанционного измерения давления [1] и температуры [2] использующиеся четырехпроводную линию связи.

Однако использование четырех проводов линии связи для измерения одного параметра, невозможность внесения поправки на изменение температуры при измерении давления, снижает точность измерения давления [1] т.к. не известны 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 диагональ питания тензомоста, измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров.

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

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

Целью изобретения является повышение точности способа и упрощение устройства измерения за счет устранения влияния линий связи, нелинейных ключевых элементов и отключения от брони кабеля, на который наводится быстросменяющаяся ЭДС поляризации горных пород, а также ЭДС, вызванная электрохимическим потенциалом между жидкостью и броней кабеля.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения давления и температуры одним датчиком, включающим подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжений, по которым определяют значение измеряемых параметров, согласно изобретению измеряют напряжения на выводах источника тока U₁ между одним питающим тензомост проводом и потенциальным U₂ и между другим питающим тензомост проводом и потенциальным U₃, а значения давления и температуры определяют из соотношений: где I значение питающего тока; R_p, R_т приращение активных сопротивлений плеч тензомоста соответственно от изменения измеряемых давления P и температуры T; U₀ IR_н номинальное падение напряжения на тензомосте; R_н номинальное сопротивление тензомоста (при отсутствии давления P и номинальной температуре T_H); K_р, K_т коэффициенты пропорциональности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения давления и температуры одним датчиком, содержащим мостовой тензопреобразователь давления (тензомост), линию связи, источник тока, согласно изобретению выводы источника тока соединены непосредственно с двумя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя (МАЦП) и через провода линии связи с диагональю питания тензомоста, один из выводов измерительной диагонали тензомоста через третий провод линии связи соединен с третьим входом МАЦП, выход которого подключен к микропроцессорному блоку.

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

Способ осуществляется следующим образом.

Измерительная цепь содержит тензомост с тензорезисторами 1, 2, получающими положительные приращения сопротивлений и тензорезисторами 3, 4, получающими отрицательные приращения сопротивлений при увеличении измеряемого давления, трехпроводную линию связи с активным сопротивлением каждого провода 5.

Общие точки тензорезисторов 1,3 и 2,4 подключены к питающим тензомост проводам линии связи 5, а общая точка между тензорезисторами 1,4 к потенциальному среднему проводу 5.

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

К питающим тензомост проводам подают ток I и измеряют напряжения на выводах источника тока U₁, между одним питающим мост проводом и потенциальным U₂ и между питающим тензомост проводом и потенциальным U₃, а значения давления и температуры определяют из соотношений: где R_л сопротивление проводов линии связи 5.

Вычитая из значения напряжения U₂ значение U₃, получают разность
Приращение активного сопротивления тензомоста в функции давления определяется соотношением:

давление определяют, заранее определив коэффициент пропорциональности K₀ градуировкой тензомоста в функции давления:
P = K_pR_p. (6)
Складывая значения напряжений U₂ и U₃ и разрешая их относительно значения сопротивления линии связи R_л, получим

Подставив значение R_л из уравнения (7) в уравнение (1), получим

Приращение активного сопротивления преобразователя 1 в функции температуры определяют из соотношения (8)

а температуру
T = K_тR_т, (10)
определив заранее коэффициент K_т градуировкой преобразователя I в функции температуры.

Устройство для одновременного измерения давления и температуры одним датчиком содержит тензомост с тензорезисторами 1-4, трехпроводную линию связи: которая представляет собой трехжильный кабель с активным сопротивлением каждой жилы 5.

Устройство имеет однополярный источник тока 6, быстродействующий многоканальный АЦП 7 (МАЦП) и микропроцессорный блок 8 (МПБ).

Тензомост имеет равные номинальные значения сопротивлений тензорезисторов R_н, противоположные плечи которых получают равные и противоположные по знаку приращения сопротивлений R_p от изменения давления и равные приращения сопротивлений тензорезисторов R_т от изменения температуры Т, т.е. текущие значения сопротивлений тензорезисторов 1 и 2 определяются выражением
R_н+R_p+R_т
а тензорезисторов 3 и 4 в этом случае выражением
R_н-R_т+R_т
при увеличении давления и температуры.

Диагональ питания моста (вершины моста между тензорезисторами 1,3 и 2,4) присоединена через питающие провода линии связи 5 к источника тока 6 и к двум входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 7 (МАЦП).

Один из выводов измерительной диагонали тензомоста (вершина моста между тензорезисторами 1 и 4) через третий провод линии связи соединен с третьим входом МАЦП 7, выход которого подключен к микропроцессорному блоку 8.

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

От источника тока 6 по питающим проводам линии связи 5 подают к тензомосту ток амплитудой I. Напряжение на входе линии связи (на входе МАЦП 7) в этот момент времени равно
U₁= I(R_н+R_т+2R_л), (11)
где R_н номинальное сопротивление каждого тензорезистора тензомоста (или номинальное выходное сопротивление тензомоста), т.е. при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре;
R_т приращение активного сопротивления каждого тензорезистора (или каждого сопротивления тензомоста) при изменении температуры;
R_л активное сопротивление одного провода (одной жилы кабеля) линии связи 5, которые по команде, поданной на управляющий вход МАЦП 7 от МПБ 8 преобразуется в цифровой код N₁:
N₁= aU₁= aI(R_н+R_т+2R_л), (12)
где a коэффициент преобразования.

Затем на вход МАЦП 7 по команде от МПБ 8 подается напряжение U₂, снимаемое со входов одного питающего и потенциального проводов линии связи, которое определяют из соотношения:
U₂= 0,5I(R_н+R_p+R_т+R_л). (13)
По команде, поданное на управляющий вход МАЦП 7, оно преобразуется в цифровой код N₂:
N₂= aU₂= 0,5Ia(R_н+R_p+R_т+R_л). (14)
В следующий момент времени на вход МАЦП 7 по команде от МПБ 8 подается напряжение U₂, снимаемое со входов другого питающего и потенциального проводов линии связи: которое определяется из соотношения:
U₃= 0,5I(R_н-R_p+R_т+R_л). (15)
Оно преобразуется по команде, поданной на МАЦП 7, в цифровой код N₃:
N₃= aU₃= 0,5Ia(R_н-R_p+R_т+R_л). (16)
Информация о выходных напряжениях U₁, U₂, U₃ в виде кодов N₁, N₂, N₃ последовательно поступает в микропроцессорный блок МПБ 8. В МПБ осуществляется определение приращений сопротивлений, вызванных изменением давления и температуры, по следующим алгоритмам:

где N₀ aU₀ aIR_н.

Обеспечивая равенство a 1/1, получим алгоритмы приращений сопротивлений:

Измеряемые одним датчиком параметры давление и температура - вычисляются умножением результатов (20) и (21) на коэффициенты пропорциональности соответственно K_р и K_т, определяемые при снятии градуировочных характеристик датчика раздельно при действии давления и температуры:

Измеряемая информация может быть выведена на отдельные блоки индикации давления и температуры, цифропечать, либо поступать в память ЭВМ для дальнейшего использования в составе автоматизированной системы управления разработкой месторождения.

Таким образом, способ и устройство измерения давления и температуры, например, в скважинах позволяет при измерении давления и температуры одним датчиком по трехпроводной линии связи (по трехжильному геофизическому кабелю), расширить область использования указанных датчиков, их функциональные возможности, повысить информативность способа и устройства, повысить точность измерения и упростить устройство за счет устранения влияния на точность изменений канала связи (активного сопротивления R_л линии связи), отсоединения измерительной цепи от брони кабеля, на которой присутствует всегда ЭДС поляризации и электрохимический потенциал, меняющийся случайным образом, устранения ключевых элементов, идентичность которых трудно обеспечить.

Использование однополярного вместо трех двухполярных источников тока, у которых сложно обеспечить равенство токов, упрощает функции микропроцессорного блока.

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

2. Померанц Л.И. Белоконь Д.В. Козяр В.Ф. 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. Cб. Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях. Новый Уренгой, 1994, (XI н.-т. конференция. Т. 2, с. 6-8).

Формула изобретения

1. Способ измерения давления и температуры одним датчиком, включающий подачу тока на диагональ питания мостового тензопреобразователя давления (тензомоста) и измерение напряжений U₁ на выходах источника тока, отличающийся тем, что измеряют дополнительно напряжения между одним питающим тензомост проводом и потенциальным U₂ и между другим питающим тензомост проводом и потенциальным U₃, а значения давления Р и температуры Т определяют из соотношений


где I значение питающего тока;
R_p, R_т - приращение активных сопротивлений плеч тензомоста соответственно от изменения измеряемых давления Р и температуры Т;
U₀ IR_н номинальное падение напряжения на тензомосте;
R_н номинальное сопротивление тензомоста (при отсутствии давления Р и номинальной температуре Т_н);
К_р, К_т коэффициенты пропорциональности.

2. Устройство для измерения давления и температуры одним датчиком, содержащее мостовой тензопреобразователь давления (тензомост), диагональ питания которого посредством двух питающих проводов линии связи соединена с выводами источника тока, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными многоканальным аналого-цифровым преобразователем и микропроцессорным блоком, причем выводы источника тока соединены непосредственно с двумя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, а один из выводов измерительной диагонали тензомоста через третий потенциальный провод линии связи соединен с третьим входом многоканального аналого-цифрового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2