Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине Советский патент 1989 года по МПК E21B47/06 

Ш

преобразователь 2 напряжения в код, блоки 3 и вычитания и индикации, блок 5 управления, линию связи с проводами 11, 12, резистивный датчик 18, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания. Для достижения цели устройство имеет мостовой тензодатчик 13 с тензорезисторами 1, 15, 16, 17, восемь диодов 21-28, дополнительный резистивный датчик 19. При подаче тока дроссель 20 имеет высокое сопротивление, а затем по мере насыщения сердечника - пренебрежимо малое. Устройство имеет четыре цикла работы. В первом цикле подается ток положительной полярности и шунтируются тензорезисторы 1б, 13 тензодатчика 13. Ток протекает по

10

15

ется в код преобразователем 2 сируется и поступает на вход вычитания. Во втором такте др 20 имеет малое сопротивление рует датчик 18. Напряжение Uпает на вход блока 3. Третий вертый такты образуют напряже и и при смене полярности ист 1 тока. В результате вычитани жений образуются коды, пропор ные изменению сопротивлений д 18, 19 и тензодатчика 13. Рез фиксируются в блоке k индикац менение устройства позволяет чить влияние параметров линии на результат измерения, повы информативность за счет измер трех параметров в рамках четы

. датчику 18. Напряжение U, преобразу- Q лов работы устройства. 4 ил.

ется в код преобразователем 2, фик- сируется и поступает на вход блока 3 вычитания. Во втором такте дроссель 20 имеет малое сопротивление и шунтирует датчик 18. Напряжение Ui поступает на вход блока 3. Третий и четвертый такты образуют напряжения Uj и и при смене полярности источника 1 тока. В результате вычитания напряжений образуются коды, пропорциональные изменению сопротивлений датчиков 18, 19 и тензодатчика 13. Результаты фиксируются в блоке k индикации. Применение устройства позволяет икслю- чить влияние параметров линии связи на результат измерения, повысить информативность за счет измерения трех параметров в рамках четырех циклов работы устройства. 4 ил.

Изобретение относится к геофизическим измерениям. Цель -расширение функциональных возможностей и повышение информативности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров. Устройство содержит двухполярный источник 1 тока, преобразователь 2 напряжения в код, блоки 3 и 4 вычитания и индикации, блок 5 управления, линию связи с проводами 11, 12, резистивный датчик 18, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания. Для достижения цели устройство имеет мостовой тензодатчик 13 с тензорезисторами 14, 15, 16, 17, восемь диодов 21-28, дополнительный резистивный датчик 19. При подаче тока дроссель 20 имеет высокое сопротивление, а затем по мере насыщения сердечника - пренебрежимо малое. Устройство имеет четыре цикла работы. В первом цикле подается ток положительной полярности и шунтируются тензорезисторы 16, 15 тензодатчика 13. Ток протекает по датчику 18. Напряжение И, преобразуется в код преобразователем 2, фиксируется и поступает на вход блока 3 вычитания. Во втором такте дроссель 20 имеет малое сопротивление и шунтирует датчик 18. Напряжение И₂ поступает на вход блока 3. Третий и четвертый такты образуют напряжения И₃ и И₄ при смене полярности источника 1 тока. В результате вычитания напряжений образуются коды, пропорциональные изменению сопротивлений датчиков 18, 19 и тензодатчика 13. Результаты фиксируются в блоке 4 индикации. Применение устройства позволяет исключить влияние параметров линии связи на результат измерения, повысить информативность за счет измерения трех параметров в рамках четырех циклов работы устройства. 4 ил.

35

Изобретение относится к дистанци- 25 нным измерениям геофизических параметров резистивными датчиками и моет найти применение при измерении комплекса физических величин, преобразуемых в изменение активного сопро- ЗО тивления (температуры, давления, расхода и т.п.) в скважинах, с использованием двухпроводной линии связи.,

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение информативности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров.

На фиг.1 приведена структурно- функциональная схема устройства для измерения комплекса геофизических параметров в скважине; на фиг.2 - структурная схема преобразователя напряжения в КОД} на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.( - временные диаграммы работы блока управления.

Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине включает источник 1 тока, преобразователь 2 напряжения в код, блок 3 вычитания, блок Ц индикации, блок 5 управления с управляющими выходами 6-10, двухпроводную линию связи с активным сопротивлением проводов 11 и 12, глубинную часть устройства, содержащую мостовой тензорезис- торный датчик 13 давления с тензоре40

45

50

55

5

О

0

5

0

5

зисторами 14-17, первый 18 и второй 19 резистивные датчики температуры, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания и восемь диодов 21-28. Источник тока 1 подключен к проводам 11 и 12 линии связи и входам преофазователя 2 напряжения в код, который своими выходами подключен к входам блока 3 вычитания, выходы которого подключены к входам блока индикации. Влок 5 управления выходом 6 подключен к управляюи(ему входу источника 1 тока, а выходами 7-10 - к управляю111им входам преобразователя 2 напряжения в код. Параллельно каждому из тензорезисторов мостового тензорезисторного датчика 13 давления подключены каждый из диодов 21-24, причем одна из точек питающей диагонали датчика 13 (тензомоста) подключена к катоду диода 21, аноду диода 22 и проводу 11 двухпроводной линии связи, а вторая точка питающей диагонали тензомоста 13 - к катоду диода 23, аноду диода 2k, анодам диодов 25 и 27, катодам диодов 2б и 28. Две точки измерительной диагонали тензомоста 13 подключены к анодам диодов 21 и 23 и катодам диодов 22 и 2k соответственно. Второй провод 12 линии связи в глубинной части подключен к первым выводам резистивных датчиков 18 и 19 температуры и дросселя 20. Второй вывод дросселя 20 подключен к катоду

5

диода 27 и аноду диода 28, вторые выводы датчиков 18 и 19 температуры подключены соответственно к катоду 25 и аноду 26 диодов.

Преобразователь 2 напряжения в код содержит четыре узла 29-32 выборки-хранения (УВХ), четыре инвертора ЗЗ-Зб и четыре аналого-цифровых преобразователя (АЦП) .

Блок 3 вычитания содержит три арифметико-логических блока (не показаны) .

Блок 5 управления включает генератор А1 прямоугольных импульсов, де- лители kZ- k частоты, инверторы 5и логические элементы И 48-51, выходы 7-10 которых соответственно являются управляющими входами для преобразователя 2 напряжения в код, а выход 6 делителя kk - управляющим входом для источника 1 тока.

Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине работает следующим образом.

Генератор Al прямоугольных импульсов блока 5 управления вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов Сфиг.), частота которых

делится на делителях 2-kk (U, U 1144) По совпадению сигналов высокого уровня 1144 и 43 и и 4t на выходе элемента И 48 (и.) формируется импульс, управляюи4ий УВХ 29 преобразователя 2 напряжения в код. По совпадению импульсов с выходов инверторов 5 и fS и выхода делителя kk на выходе элемента И 49 (U+g) формируется импульс, управляю1ций УВХ 30. По совладению импульсов с выходов делителей 42 и 43 (и 41 и 4з) и инвертора 47 на выходе элемента И 50 (и 5в) формируются управляющие импульсы УВХ 31 При совпадении сигналов высокого уровня с выходов инверторов 45-47 на выходе элемента И 51 (и 51) формируются импульсы, управляюи1ие УВХ 32. Сигнал с выхода делителя 44 (1)44) поступает на выход 6 блока 5 управления для управления двухполярным источником 1 тока.

По сигналу высокого уровня с выхода 6 (и 44.) блока 5 управления в линии связи по проводам 11 и 12 протекает ток положительной полярности. При этом ток течет по образующимся параллельным цепям, первая из которы состоит из последовательно включенных тензорезистора 14 мостового дат

0238

ю

isчика 13 и диода 23, включенного при данной полярности тока в прямом направлении и шунтируюи1его вследствие этого тензорезистор 15, а вторая цепь .образуется из последовательно включенных тензорезистора 17 и диода 22. Для тензодатчиков, изготовленных по интегральной технологии, к которым относится используемый мостовой тен- зодатчик 13 давления, справедливо утверждение о равенстве сопротивления всех плеч моста при отсутствии давления, т.е.

RI где R

R

«,

16,

R R R

R

tt,

Rn.

R., (1)

I

,7 - начальное сопротивление тензорезисто- ров 14-17 тензодат- чика 13 при отсутствии давления,

а следовательно, равны приращения сопротивления ARp тензорезисторов, образующие плечи моста, под действием давления. Обеспечивая равенство сопротивлений постоянному току всех диодов, включенных в прямом направлении

RVII- Rs/-i-2 Pvv2.3 R VM (2)

методом индивидуальной подборки, можно утверждать то, что ток в каждой из образующихся цепей равен половине тока I источника 1 тока. Поскольку

используется дроссель 20 с прямоугольной петлей гистерезиса, например, намотанный на кольцевом сердечнике из железноникелевых сплавов, то в процессе намагничивания и перемагничивания через его обмотку протекает ток незначительной величины (порядка 0,1 мА), т.е. его полное сопротивление X j - 00. 8 момент, когда дроссель входит в насыщение, сопротивление

его определяется сопротивлением обмотки и является пренебрежимо малым. В начальный момент времени протекания тока I дроссель 20 начинает намагничиваться и весь ток течет по

диоду 25, включенному в данном случае в прямом направлении, и резистив- ному датчику 18. Таким образом, в начальный момент времени напряжение на входе преобразователя 2 напряжения в код определяется выражением

i

I.(2R + (R + Rj,)

R vrs

(3)

де 2R - суммарное сопротивление

проводов 11 и 12 линии связи,

R - активное сопротивление тен- зорезистора с положительным приращением сопротивления при увеличении давлеR

ния, которое с учетом можно записать в виде

R « R „ К „ + дКо

(1) W

f4 П О

R э - эквивалентное сопротивление, определяемое с учетом (1) и (2) по выражению

R

.R t5-r

31

R

+ г

R « R

(5)

15 и Ry 5 сопротивление постоянному

току диода 25, R,j - активное сопротивление резистивного датчика 18. Напряжение U О) импульсом с выхода 7 блока 5 управления запоминается в УВХ 29 преобразователя 2 напряжения в код, а по окончании управляющего импульса формируется сигнал высокого уровня на- выходе инвертора 33 разрешающий работу АЦП, который формирует на своей выходной шине параллельный код

N/ k и,, . (6) где k - коэффициент преобразования

АЦП.

В следующий момент времени дроссель 20 входит в насыщение, шунтируя резистивные датчики 18 и 19 (весь ток I течет через дроссель 20). Напряжение в этот момент определяется выражением

и,

1

I( |(R +

R,,)+R

vii).,

(7) где R - сопротивление постоянному

току диода 27.

Сопротивлением обмотки дросселя 20, находящегося в насыи ении, можно пренебречь ввиду его незначительности. Напряжение Ui (7). импульсом с выхода 8 блока 5 управления запоминается в УВХ 30 преобразователя 2, а по окончании импульса сигналом высокого уровня на выходе- инвертора 3 производится преобразование входного напряжения в параллельный код в АЦП 38

Ni, k U. (8) На фиг.4 показано изменение вход- ного для преобразователя 2 напряжени Ujx и отмечены точки, в которые происходит запоминание напряжений.

По команде блока 5 управления на выходе 6 (и) формируется низкий уровень сигнала, управляющий источником 1 тока. В линию связи начинает течь ток (-1) обратной полярности, но равной амплитуды. Дроссель 20 начинает перемагиичиваться и ток течет по вновь образованной 14епи: резис- тивному датчику 19, диоду 26 и параллельным ветвям - диоду 24, тензо- резистору 16 и тензорезистору 15, диоду 21. Напряжение на входе преобразователя 2 напряжения в код в этот момент времени определяется выражением

3

R,,).

-(2R

j(R+ R,,) +

R V 1.6

(9)5

где R

R

15

Vte

R 0

активное сопротивление резистивного датчика 19, сопротивление постоянному току диода 26, активное сопротивление тензорезистора с отрицательным приращением сопротивления при увеличении давления, которое с учетом (1) и указанного можно записать в виде

, R,, Re - dR

R

15

16

P

Э1

5

(10)

- эквивалентное сопротивление, определяемое с учетом (1) и (2) по выражению

Eiv 14 Э1 --

cir

(11)

Напряжение U управляющим сигналом и 50 с выхода 9 блока 5 управления запоминается в УВХ 31 преобразователя 2, а затем при появлении сигнала высокого уровня на выходе инвертора 35 происходит преобразование этого напряжения в АЦП 39 в параллельный код

N, k и

3

(12)

В следующий момент времени дроссель 20 входит в насыщение, шунтируя резистивные дат, 4ики 18 и 19 и напряжение и на входе преобразователя 2 определяется выражением

иф -I( |(R+ R,.)- -R

v/28

(13)

которое по сигналу Us, с выхода 10 блока 5 управления запоминается в УВХ J2. а затем по сигналу высокого

уровня с выхода инвертора Зб преобразуется в Alin kO в параллельный код N k U. (1) Получаемые по мере преобразования коды N - N поступают по своим шинам на входы трех арифметико-логических блоков (АЛБ) блока 3 вычитания, причем на входы первого РЛБ поступают параллельные двоичные коды N, N, где производится вычитание N, - N, на входы ,второго АЛБ - коды N, N4 (осуществляется операция N N4), а на входы третьего АЛБ - коды N и N, где производится вычитание

Kj. IM

в результате проделанных операций на выходах АЛБ формируются соответственно коды

Nf N - NI kU - kU

kKRvis

N, N3

- R V47 - N4

+ R,);

kU3 - kU4

kI(R i It

13 )

(15) (16)

NT N4 kUi - kU t

kl((RnR vasb

Э,) - 2

) +

R V 21 (17)

где Ny, n, N 1 - коды соответственно :на выходе первого,

второго, третьего

АЛБ.

Диоды 27 и 28 непосредственно не являются необходимыми для процесса преобразования, т.е. не участвуют в достижении поставленной цели изобретения. Однако при их отсутствии в выражениях (15) и (16) есть нескомпенсированные слагаемые , изменение которых вносит дополнительную погрешность в результат измерения, В случае их использования и обеспечения равенства

(18

R vi5

V77

R

Vie

г,

(18)

что достигается индивидуальной и подборкой, результаты преобразований (15) и (t6) принимают вид

N5 (19) ,,. (20) Используя выражения (), (5)., (10) и (11) и равенство (18) выражение (17) преобразуется к виду

N.

kI(|(R

о + uRp +

г) - |(RO- UR р + г) + г - г) kIdR р. (21)

Полученные результаты поступают на блок k индикации, где могут отоб

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

ражаться в единицах измеряемого параметра при соответствующей градуировке устройства. Каждый из полученных результатов (19)-(21) зависит только от своего измеряемого параметра, преобразуемого в активное сопротивление соответствующего резистивного датчика, и инвариантен к параметрам линии связи.

Формула изобретения

Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине, содержащее первый резистивный датчик температуры, дроссель, двухпроводную линию связи, источник тока, преобразователь напряжения в код, блок управления, блок вычитания и блок индикации, причем первые выводы дросселя и первого резистивного датчика подключены через первый провод линии связи к первому выходу источника тока и первому входу преобразователя напряжения в код, второй вход которого соединен с вторым выходом источника тока и вторым проводом линии, связи, выход подключен через блок вычитания к блоку индикации, при этом выходы блока управления соединены с управляющими входами преобразователя напряжения в код и источника тока, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения информа - тивности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров, оно снабжено вторым резистивным датчиком температуры, мостовым интегральным тензорезисторным датчиком давления, первым - восьмым диодами, причем первый - четвертый диоды включены по мостовой схеме и подключены параллельно каждому из .четырех тензорезисторов мостового давления, при этом точка соединения разноименных выводов первого и третьего диодов соединена с первым выводом питающей диагонали мостового датчика давления и с вторым проводом линии связи, а точка соединения разноименных выводов второго и четвертого диодов подключена к второму выходу питающей диагонали мостового датчика давления, выводы измерительной диагонали которого подключены соответственно к oбLчим точкам соединения одноименных выводов первого - четвертого диодов, второй вывод питающей диагонали мостового датчика давления соединен с анодами пятого и седьмого диодов и катодами шестого и восьмого диодов, катод пятого диода подключен к второму выводу первого резистивно- го датчика температуры, анод шестого

диода соединен с вторым выводом второго резистивного датчика температуры, первый вывод которого подключен к первому проводу линии связи, катод седьмого диода соединен с анодом восьмого диода и вторым выводом дросселя.