Устройство для измерения давления Советский патент 1987 года по МПК G01R17/10 G01L9/00 

1 13

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления в нефтяных и газовых скважинах в условиях повышенных и быстроменяющихся температур-.

Цель изобретения повьшение точности измерения за счет компенсации температурной нестабильности тензо- преобразователя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы интегратора и компаратора.

Устройство для измерения давления состоит из многополюсной измерительной цепи (МИЦ), содержащей резисторы 1-7, тензопреобразователь 8 в виде мостовой цепи, источник 9 постоянного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), содержащего два четырехвходовых коммутатора 10, дифференциальный буферный усилитель 1 интегратор. 12, компаратор 13, два конденсатора 14 и 15, ключи 16-19, задатчик 20 калиброванных временных интервалов и измеритель 21 временных интервалов. Входные шины четырехвходовых коммутаторов 10 подсоединены попарно к соответствующим точкам МИЦ а вьсходные - к зажимам буферного усилителя 11. К выходу последнего подг ключены последовательно первый и ин- версньш входы интегратора 12 и ком- паратор 13. Одни из зажимов конден- саторов 14 и 15 через ключи 16 и 17 соединены с вторым БХ.ОДОМ интегратора 12, а через ключи 18 и 19 - с выходом компаратора 13 и задатчиком 20, которьй в свою очередь соединен с управляющими входами всех ключей 16- 19 и коммутатора 10, а также с измерителем 21.

Устройство работает следующим образом,.

Работой АЦП управляет задатчик 20. В первый момент времени t, (фиг.2) он вьщает сигнал на замыкание ключей 16 и 18, и на вход при помощи входного комм татора 10 коммутирует- ся напряжение U, . Это напряжение, усиленное в К раз, с выхода буферного усилителя 1.1 прикладывается к инверсному входу интегратора 12. Напряжение на конденсаторе 14 увеличи- вается до тех пор, пока его величина не будет равна входной. Величина этого напряжения равна

: и,, ±ки,ъ+и,„, (1)

582 ,

где Vg - напряжение выхода многойо- люсной измерительной цепи меткду выводом резисторов 3 и 4 и выводом резисторов 6 и 5;

К - коэффициент усилений буферного усилителя;

U(, - напряжение смещ ения операционных усилителей. В момент времени t задатчик 20 производит переключение входного напряжения при помощи коммутатора 10 и замыкает ключи 17 и 19, при этом ключи 16 и 18 размыкаются.

Напряжение U запоминается на конденсаторе 15. Величина его равна

U,,,+U,,

(2)

где и . - напряжение выхода многополюсной измерительной цепи между выводом резисторов 2 и 3 и выводом резисторов 7 и 6.

Такт коррекции заканчивается в момент времени t.

Ключ 19 получает команду на размыкание, а на вход АЦП коммутируется напряжение Ugi,, с измерительной диагонали тензопреобразователя.

Напряжение U, усиленное в К раз и поданное на вход интегратора 12, начинает заряжать емкость интегратора.Напряжение на выходе интегратора изменяется по закону

Ч, -fc.

Uu4c J bu-UeJdt4- j(tKU,j+U,Jd

.. t, Чз)

где RC - постоянная интегратора.

В момент времени t задатчик 20 подает сигнал на переключение татора. На вход АЦП поступает напряжение. и„д. При этом по второму входу интегратора подключается конденсатор 14 при помощи ключа 16. Ключ 17 в . этот момент размыкается.

Полярность напряжения на выходе буферного усилителя 11 такова, что напряжение на выходе интегратора 12 начинает убывать по.закону

Ku cJdt-1-j аки,

tit4

-bU.Jdt,

(4)

где и - напряжение на последовательно соединенных резисторах 2, 3 и 4.

Когда напряжение на выходе интегратора 12 уменьшится до нуля (tj), компаратор 13 вьщает сигнал на задатчик 20J который воспринимает его как

31322158

окончание преобразования. Бремя ty (t.-tj) фиксируется в измерителе 21. Если известен интервал времени Т

о в д

t,-t, то из равенств (3) и (4)

и,

«.iUli.

(5)

и,„±и,,

Если временные интервалы формируются от одного внутреннего генератора опорной частоты, то вьфажение (5) можно записать

N yefeil., X Ug,

(6)

где Nj( - код измеряемого давления; NO - емкость счетчика в задат- чике временных интервалов.

Как видно из выражения (6), АЦП вьтолняет функциональную операцию над входными аналоговыми величинами которые могут изменяться от температуры и автоматически производить поправку результата измерения . При этом напряжение смещения операционных усилителей не входит в формулу преобразования.

Рассмотрим более подробно механизм компенсации допЬлнительной температурной погрешности (датчиков) т зопреобразователей. Для этого рассмотрим многополюсную измерительную цепь.

Выходное напряжение U

вых

тензопреобразователя, построенного на основе полного тензомоста, зависит от давления Р, питающего тока I,, температуры t и описывается выражением 35

ивь,,(1+х, ut)Pl+KiI+Ix2ut, (7) де К - коэффициент пропорциональности между питающим током, давлением Р и выходным сигналом или чувствитель- 40 ность;

К - коэффициент пропорциональности между током I и выходным напряжением Ug, при давлении (он определяет 45 величину напряжения смещения нуля);

х - температурньй коэффициент изменения напряжения Смещения нуля; ..50 X,; - температурный коэффициент

чувствительности; ut - приращение температуры от

номинальной (). При этом входное сопротивление R 55 тензомоста зависит от температуры

(8)

где R

(),

&ХН

- входное сопротивление тензомоста;

Xj - температурньй коэффициент

сопротивления тензомоста.

Все эти коэффициенты однозначно определяют свойства тензопреобразо- вателя и приводятся в паспортньос данных.

При включении источника питания по первой ветви многополюсной измерительной цепи протекает ток

т - ЕП

RBX+R

(9)

где

Е - ЭДС источника постоянного

напряжения;

,+R,,+

+R,+R4

- сумма сопротивлений резисторов 1-4, а по второй ветви

.к7Ьй , °

причем сумма сопротивлений резисторов 5 - 7 R,R, Rj. выбирается равной Rgj +Rg. для того, чтобы при номинальной температуре токи в ветвях были равные.

Напряжение на зажимах многополюсной измерительной цепи описывается вьфажением

и

аЬ- Rs+RTex .RexH

:Учитывая из выражения (8), что

(11)

R,

5д1

б « уравнение (11) можно записать в виде

,, р ГRI . R( t)l

°Ь R,,-bR5(H-x,ut)J и за малостью величины

и Е i il illSlSiut(12)

аЬ .

R.,+R

4j, напряжение окончательно записывают

Приняв

u«b R:: R-Rs-,t:.

(13)

Выбирая R R i5il5Llbb

5 v

5

выражение (13) записывают

, (R2+R3+Rjx,At. Аналогично находится En

..§...,,t(R,.R,). Выбрав величины (R5.)--;

(R,+R)K,4--(17)

подставив в (16), получают

i(,ut).(18)

Напряжение Ugg определяется

и.

(19)

5 13 Ejj(Ri+Ri+R,) ео ( Величина сопротивления резистора R определяется по номинальному току через тензопреобразователь, Сопротив- ление выбирается таким, чтобы ток I, на превышал номинального значения, определяемого техническими условиями эксплуатации тензопреобразователя.

Подставим найденные значения на- пряжений Ugj, , и, Ug, Ueo в функцию преобразования (6) К,

« R;T57R;Nop.

(20)

Величина кода не зависит от темпе- ратуры.

Устройство позволяет компенсиро- йать все виды температурных погрешностей тензопреобразователей. Кроме того, температурный дрейф операцион- ных усилителей, входящих в устройство, также не влияет на функцию преобразования. Это позволяет создать устройство для измерения давления в условиях быстроменяющихся температур (напр имер, в нефтянных скважинах) с цифровым выходом, у которого дополнительная температурная погрешность не превышает 0,001%/град.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления содержащее тензопреобразователь, первый ключ, последовательно соединен- ные дифференциальный буферный усилитель, интегратор, компаратор и задат- чик калиброванных интервалов времени второй ключ, вход которого соединен с вькодом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, измеритель временных интервалов, при этом управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами задатчика

586

калиброванных интервалов времени, отлич. аю щееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения за счет компенсации температурной нестабильности тензопреобразователя, в него введены первый и второй четы- рехвходовые коммутаторы, третий и четвертый ключи, первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятьш, шестой, седьмой резисторы, источник постоянного напряжения, при этом первый, второй, третий и четверый резисторы соединены последовательно с тензопреобра- зователем и образуют первую ветвь многополюсной измерительной цепи, пятый, шестой и седьмой резисторы соединены последовательно и образуют вторую ветвь многополюсной измерительной цепи, первая и вторая ветвь подсоединены к источнику постоянного напряжения, выход первого коммутатора соединен с инвертирующим, а второго - с неинвертирующим входами дифференциального буферного усилителя, входы первого и второго коммутаторов, попарно подсоединены к измерительной диагонали тензопреобразователя, к общим выводам третьего и четвер- . того, пятого и шестого резисторов, к общим выводам второго и третьего, шестого и седьмого резисторов, к общим выводам первого и второго, четвертого и пятого резисторов, первые выводы обоих конденсаторов через третий и четвертый ключи соединены с вторым входом интегратора, а через первый и второй ключи с выходом компаратора, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной, управляющие входы третьего и четвертого ключей и коммутаторов соединены с третьим, четвертым и пятым выходами задатчика временных интервалов соответственно.

16

.Изобретение служит для повышения точности измерения давления в нефтяных и газовых скважинах. УстГ гмйШГ I: ройство содержит тензопреобразова- тель 8 в виде мостовой цепи,дифференциальный буферный усилитель 11, интегратор 12, компаратор 13, ключи 16 и 17, задатчик 20 калиброванных вре- менньрс интервалов и измеритель 21 временных интервалов. Введение резисторов 1-7, источника 9 постоянного напряжения, двух четьфехвходовых коммутаторов 10, конденсаторов 14 и 15, ключей 18, 19 позволяет компенсировать температурную нестабильность тензопреобразователя 8. При этом температурньй дрейф операционных усилителей не влияет на функцию преобразования. Погрешность устройства не превьшает 0,001%/град. 2 ил. - - а (Л