УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2002 года по МПК G01K7/24 

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 подземных хранилищ газа при обнаружении перетоков флюида за эксплуатационной обсадной колонной.

Известен скважинный дифференциальный термометр, содержащий корпус, установленный в нем электронный блок, два преобразователя температуры, переключатель и установленный в корпусе эталонный блок, выполненный в виде сосуда Дьюара с теплоизоляционным слоем и размещенным в нем нагревателем и капсулой с эталонным материалом, причем один из преобразователей температуры установлен в капсуле с эталонным материалом и связан через переключатель с электронным блоком (1).

Недостатком известного скважинного дифференциального термометра являются сложность конструкции, сложность и долговременность процесса измерения, большая потребляемая мощность, которая, помимо питания измерительных цепей, расходуется в нагревателе.

Известно устройство для измерения градиента температуры в буровых скважинах, которое состоит из 2 термочувствительных элементов, установленных в середине концевых частей термочувствительного зонда, выполненных из одинакового в теплофизическом отношении материала и разделенных вставкой из разнородного в теплофизическом отношении материала, причем длина концевых частей не менее десяти их диаметров (2).

Недостатком известного устройства является большая тепловая инерция измерительной системы, что требует значительных затрат времени на проведение измерений с выдержкой времени на каждой точке измерения, т.е. (как и в вышеописанном техническом решении) измерения температуры по сути производятся в точечном режиме.

Известен скважинный термометр на одножильном кабеле, состоящий из терморезистора, включенным в электронную схему импульсного преобразователя - релаксационного RC генератора, выполненного в виде компаратора напряжения, первый выход которого подключен к кабелю, а второй выход, соединенный через сопротивление со средней точкой резистивного делителя напряжения питания, подключен через терморезистор к инвертирующему входу компаратора, который соединен через первый конденсатор с кабелем, а через второй конденсатор с земляной шиной, причем неинвертирующий вход компаратора подключен к резистивному делителю (3).

Данное техническое решение послужило основой для разработки и серийного выпуска термометров типа ТР-7 (4), которые неплохо зарекомендовали себя при проведении геофизических исследований в глубоких скважинах, заполненных водой, нефтью, буровым раствором (промывочной жидкостью).

Основным недостатком данного технического решения является невозможность использования при проведении геофизических исследований в газовых скважинах из-за перегрева чувствительных элементов в воздушной или газовой среде выше окружающей температуры, что приводит к изменению их градуировочных характеристик, снижению точности и разрешающей способности термометров.

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

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

Помимо отмеченного, чувствительность известных дистанционных термометров в ряде случаев недостаточна.

Так, на Краснодарском ПХГ геофизические исследования по определению технического состояния скважины 49 показали, что методом термометрии движение газа за эксплуатационной колонной из продуктивной толщи к земной поверхности не определяется (нет существенных термоаномалий). Тем не менее, в межколонном пространстве (между эксплуатационной колонной и кондуктором) имели место скопления газа под давлением 8,6 кг/см².

Из вышеизложенного следует, что применение метода термометрии с использованием известных серийных термометров неэффективно, т.к. они, во-первых, не обладают стабильностью градуировочных характеристик и достаточной точностью измерений в газовой среде, а во-вторых, - не имеют достаточной чувствительности, например, для обнаружения пропусков газа по заколонному пространству и оценки эффективности проведения ремонтно-изоляционных работ по ликвидации заколонных перетоков.

Подтверждением тому является тот факт, что для указанных целей на Осиповичском ПХГ оказалось необходимым измерение температурных режимов с точностью не ниже чем 0,03 К при чувствительности около 0,002 К (5).

Подобные проблемы характерны для всех подземных газовых хранилищ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для дистанционного измерения температуры является скважинный электротермометр типа ТЭГ-36 на одножильном кабеле, состоящий из скважинного снаряда с двумя термочувствительными элементами, выполненными в виде активных сопротивлений и включенных в частотно-зависимую цепь импульсного преобразователя - RC генератора, выполненного по схеме моста Вина-Робинсона и регистрирующего устройства на поверхности, причем регистратор имеет на выходе устройство для измерения периода колебаний RC генератора (6).

Практика его использования показала, что он обладает теми же недостатками, - недостаточной точностью измерений и чувствительностью, т.к. функции получения информации и преобразования ее в удобную для передачи по каналу связи форму совмещены и, для получения приемлемой чувствительности, требуется большой уровень мощности, рассеиваемой на термочувствительных элементах.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений при одновременном повышении чувствительности устройства.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что известное устройство для дистанционного измерения температуры, включающее термочувствительные элементы, преобразователь сигналов термочувствительных элементов в период электрических колебаний, бронированный кабель связи с блоком выделения информации, включающем источник питания, обработки электрических колебаний и регистрации информации, согласно изобретению, дополнительно содержит усилитель сигналов разбаланса и стабилизатор напряжения, при этом термочувствительные элементы включены в измерительную схему, выполненную в виде моста Уинстона, питающая диагональ которого подключена к вновь введенному стабилизатору напряжения, а измерительная - к входам усилителя сигналов разбаланса, выход которого подключен к центральной жиле каротажного кабеля через импульсный преобразователь сигналов термочувствительных элементов (для связи с наземным блоком выделения и обработки информации), причем термочувствительные элементы включены в противоположные плечи моста, а два других плеча мостовой схемы образованы нелинейными элементами - токостабилизирующими двухполюсниками.

Признак - термочувствительные элементы включены в измерительную схему, выполненную в виде моста Уинстона, позволяет:
- произвести компенсацию напряжения в измерительной диагонали до нулевого значения в начале диапазона измеряемых температур и получить большую стабильность "нуля", поскольку баланс моста сохраняется даже при колебаниях напряжения питания (т. е. обеспечить высокую стабильность характеристики преобразования "температура - напряжение");
- изменять границы диапазона измерений и осуществлять измерение собственно приращений температуры, не применяя других термочувствительных элементов и не изменяя их параметров.

Признак - термочувствительные элементы включены в противоположные плечи мостовой схемы удваивает приращение напряжения разбаланса моста при прочих равных условиях (одинаковых напряжениях питания и изменениях температуры) и дает возможность снизить напряжение питания мостовой схемы, уменьшить собственное тепловыделение термочувствительных элементов, их перегрев относительно температуры окружающей среды и, следовательно, повысить точность измерений.

Признак - два других плеча мостовой схемы образованы нелинейными элементами - токостабилизирующими двухполюсниками позволяет уменьшить изменение токов, протекающих через термочувствительные элементы при изменении температуры окружающей среды за счет изменения их сопротивления, повысить чувствительность и линейность характеристики преобразования температуры в электрическое напряжение.

Применение усилителя сигналов разбаланса позволяет в К раз увеличить приращение выходного напряжения моста (где К - коэффициент усиления дифференциального сигнала) при одинаковых изменениях температуры и получить заданную чувствительность устройства даже при еще более низком напряжении питания.

Кроме того, одновременно с усилением сигналов разбаланса в К раз, происходит подавление синфазных помех и наводок, что, в свою очередь, позволяет удалить термочувствительные элементы на значительное расстояние от остальных узлов и, в каждом конкретном случае, конструктивно располагать их в наивыгоднейших условиях, исключая их перегрев выше температуры окружающей среды другими элементами электронной схемы.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для дистанционного измерения температуры включает:
- измерительную схему 1, выполненную в виде моста с термочувствительными элементами Rt₁ и Rt₂, включенными в противоположные плечи мостовой схемы;
- стабилизатор напряжения питания 2;
- усилитель сигналов разбаланса 3;
- балластный резистор 4 стабилизатора напряжения питания 2;
- импульсный преобразователь 5 (преобразователь "напряжение-частота", "аналог - время", "аналог - код", "аналог - цифра" и т.п.);
- конденсатор связи 6 выхода импульсного преобразователя 5 с бронированным (каротажным) кабелем 7;
- резистор нагрузки 8 каротажного кабеля 7 со стороны блока обработки информации (наземной панели), конденсатор связи 9 каротажного кабеля 7 с блоком обработки информации (на фиг.1 не показан).

Импульсный преобразователь 5 особенностей не имеет (здесь не рассматривается) и может быть любым - ("напряжение-частота", "аналог - время", "аналог - код", "аналог - цифра" и т.п.).

Устройство работает следующим образом.

При включении питающего напряжения Uпит, подающегося от наземной панели, измерительный мост 1 с резисторами Rl, R2 термочувствительными элементами Rt₁ и Rt₂ запитывается от стабилизатора напряжения 2. При равенстве всех резисторов мостовой схемы Rt₁=Rt₂=R1=R2 измерительный мост сбалансирован и напряжение, подаваемое на вход усилителя сигналов разбаланса 3, равно нулю.

Допустим для простоты рассуждений, что Rt₁=Rt₂=R1=R2=1000 Ом, а напряжение на выходе стабилизатора 2 равно 10,0 вольт. Тогда в точке соединения Rt₁ и R1 (а также в точке соединения Rt₂ и R2) напряжение относительно общего провода (корпуса) будет равно 5,0 В.

Если при изменении температуры термочувствительных элементов Rt₁ и Rt₂ произойдет изменение их сопротивления в сторону увеличения на 100 Ом, то падение напряжения на резисторе R1 уменьшится на 0,2381 В (от 5,0 до 4,7619 В), а на резисторе Rt₂ - увеличится на 0,2381 В (от 5,0 до 5,2381 В).

Таким образом, разность потенциалов между указанными точками при одновременном изменении температуры термочувствительных элементов Rt₁ и Rt₂, включенных в противоположные плечи мостовой схемы, удвоится (составит 0,4762 вместо 0,2381 вольт), что приведет к увеличению чувствительности мостовой измерительной схемы также в два раза.

Дальнейшее повышение ее чувствительности обеспечивается с помощью усилителя сигналов разбаланса 3, усиливающего дифференциальные сигналы в К раз при одновременном подавлении синфазных помех. Использование вместо резисторов R1 и R2 нелинейных элементов - токостабилизирующих двухполюсников позволяет уменьшить изменение токов, протекающих через термочувствительные элементы при изменении температуры окружающей среды за счет изменения их сопротивления, повысить чувствительность и линейность характеристики преобразования температуры в электрическое напряжение.

Указанная совокупность элементов и функциональных узлов с одной стороны необходима, а с другой - достаточна для решения поставленной задачи.

Следовательно, оказывается возможным (при прочих равных условиях) кратно снизить напряжение питания мостовой схемы, уменьшить перегрев термочувствительных элементов в воздушной и газовой среде, повысить стабильность характеристики преобразования, точность измерения температуры и разрешающую способность дистанционных термометров, работающих не только в жидкой, но и в газообразной среде.

Источники информации
1. А.с. SU 1430513, кл. Е 21 В 47/06, оп. 1988 г.

2. А.с. SU 1479633, кл. Е 21 В 47/06, оп. 1989 г.

3. А.с. SU 991190, кл. G 01 K 7/16, оп. 1983 г.

4. Проспект ВДНХ: Термометры скважинные ТР7-651, ТР7-341. ВНИИОЭНГ 3252. Т-09312 от 03.04.84. Тир. 500 экз. Зак. 135. Москва, ул. Шухова, 17.

5. Журнал "Газовая промышленность", 12, 1997 г., стр. 39-41.

6. А.с. 143937, кл. 21g, 30₀₁, оп. 1962 г. - прототип.

Изобретение может быть использовано при проведении геотермических исследований, входящих в обязательный комплекс геофизических методов контроля за эксплуатацией подземных хранилищ газа при обнаружении перетоков флюида за эксплуатационной обсадной колонной. Повышение точности измерения температуры и разрешающей способности дистанционных термометров достигается за счет того, что устройство содержит термочувствительные элементы, импульсный преобразователь сигналов термочувствительных элементов, бронированный кабель связи, усилитель сигналов разбаланса, стабилизатор напряжения, наземный блок обработки информации, включающий блоки питания, выделения, обработки и регистрации импульсного сигнала, при этом термочувствительные элементы включены в мостовую измерительную схему в противоположные плечи моста, а два других плеча мостовой схемы образованы нелинейными элементами - токостабилизирующими двухполюсниками. Питающая диагональ мостовой схемы подключена к стабилизатору напряжения, а измерительная - к выходам усилителя сигналов разбаланса, выход которого подключен к входу импульсного преобразователя, выход которого связан с помощью бронированного кабеля с наземным блоком обработки информации. 1 ил.

Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее термочувствительные элементы, 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 усилитель сигналов разбаланса и стабилизатор напряжения, при этом термочувствительные элементы включены в мостовую измерительную схему в противоположные плечи моста, а два других плеча мостовой схемы образованы нелинейными элементами - токостабилизирующими двухполюсниками, причем питающая диагональ мостовой схемы подключена к стабилизатору напряжения, а измерительная - к входам усилителя сигналов разбаланса, выход которого подключен к входу импульсного преобразователя, выход которого связан с помощью бронированного кабеля с наземным блоком обработки информации.