Способ измерения температуры горных пород в шпурах или скважинах Советский патент 1991 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры горных пород в шпурах или скважинах, пробуренных, например, из подземных сооружений

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения.

На фиг. 1 представлена конструкция термопреобразователя, на фиг 2-структурная схема устройства, поясняющая способ, на фиг. 3 - график зависимости безразмерной температуры термопреобразователя от времени его контакта с каменным углем; на фиг. 4 - возмущенное температурное поле горных пород из-за контакта с термопреобразователем, на фиг. 5 - распределение по радиусу площади диаметром D значения отклонения температуры AtD термопреобразователя от искомого значения температуры to горных пород на фиг 6 - график определения коэффициента влияния диаметра D термопреобразоватепя на Фиг 7 - график определения коэффициента влияния диаметра шпура или скважины

Способ основан на теп/юметрическом методе нулевого теплового потока, подогреве (или охлаждении) термопреобразователя и закомерностях искажения температурного поля обьекта измерения (горные породы) контактом с термопреобразователем

Способ измерения температуры горных пород осуществляется следующим образом

В процессе введения датчика в шпур термопреобразователь своей тепловоспри- нимающей поверхностью участвует в теплообмене излучением с горныг.-и породами в

О

со со

о

ел

шпуре. При этом исключение теплового потока через термопреобразователь ограничивает объем термопреобразователя, участвует в этом теплообмене, исключает теплоотвод по арматуре термопреобразователя. В то же время теплота, идущая на изменение теплосодержания этого объема термопреобразователя, отбирается со значительной поверхности горных пород в шпуре, что исключает локальные нарушения температурного поля горных пород, окружающих шпур.

Температура ЧЭ может быть найдена из формулы

с Г1 х

12 -Е-о- s -eg(1)

+ arct9T-w;-

w 1 . / - 01 н

где т - продолжительность введения датчика в шпур (время теплообмена излучением термопреобразователя с горными породами в шпуре); С - произведение объемной эффективной теплоемкости на объем термопреобразователя, участвующего в теплообмене излучением с горными породами;

S, Е-- поверхность теплообмена термопреобразователя и степень черноты эгой поверхности;

о- постоянная Стефана-Больцмана:

- температура горных пород по Кельвину;

$1Н , в - начальная и текущая температура термопреобразователя.

После приведения термопреобразователя в контакт с горными породами начинается теплообмен теплопроводностью между термопреобразователем и горными породами. При этом направление теплового потока зависит от нагретости термопреобразователя относительно горных пород. Поэтому после контакта определяют направление теплового потока, проходящего через контактную поверхность термопреобразователя. Формируют подведение к термопреобразователю встречного теплового потока q. При этом безразмерная температура термопреобразователя Т может быть представлена:

2

-Т -ТГ О 1-ехр Х Я Vr2 -Z

-5сi ii--г

а

rf

, т Г2 - L I

erfc -СГ7Г-- J

dZ -H

Я Г , Я /Г2 + 1 - erfc

м а Ci - Ci V а

где Т

10

15

20

25

30

tr-ri

to -tf

to температура горных пород;

tr, ti - текущая и начальная (предконтак- тная) температура термопреобразователя;

Я, а - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности горных пород;

Т2 - продолжительность (время) контакта термопреобразователя с горными породами при проведении встречного теплового потока q;

Ci - произведение эффективной объемной теплоемкости термопреобразователя на толщину части термопреобразователя, участвующей в теплообмене теплопроводностью с горными породами.

После приобретения термопреобразователем температуры горных пород (Т 1, tr to) тепловой поток q нагревает контактную с термопреобразователем поверхность горных пород. Таким образом, в процессе реализации способа безразмерная температура меняется от Т 1 до Т - 1 и далее Т 1. В начале, например (Т 1), имеет место охлаждение контактной с термопреобразователем поверхности горных пород, а затем (Г 1) - перегрев этой контактной поверхности. Перегрев (или погрешность искажения) контактной поверхности горных пород над искомой их температурой обусловлен тепловым потоком и связан с этим тепловым потоком зависимостью

4 q D..

Т(3)

Формула (3) дает среднее по площади контакта диаметром отклонение температуры At контактной с термопреобразователем поверхности горных пород над искомой температурой. Распределение значений ( Д to) этого отклонения ( At ) по радиусу площадки контакта диаметром D пропорционально Я, q, D.

Таким образом, при переходе через гралс ницу Т - 1 имеет место переполюсовка градиента температуры между центром и периферией контактной с термопреобразователем поверхности горных пород. Наступление такой переполюсовки при любых

CQ теплофизических характеристиках горных пород обеспечивает плотность встречного теплового потока, которую определяют по формуле

q(2.5.. 3) Ад.(4)

где Дд абсолютное значение допустимой погрешности измерения.

Ямэкс - максимальное знлчрние теплопроводности горных пород встречающихся е регионе.

35

40

55

Момент переполюсовки фиксируют, после чего исключают тепловой поток через термопреобразователь. В течение времени г термопреобразователь принимает температуру горных пород (Т 1). Это время может быть оценено по формуле (2), приняв q 0. Формула (2) получена в результате решения задачи об изменении температуры бесконечной пластины (термопреобразователь), приведенной в контакт с полуограниченным массивом горных пород и потому дает завышенные над г значения для гз . В предлагаемом способе время гз корректируют экспериментально полученными коэффициентами на влияние диаметров термопреобразователя и шпура (скважины), т.е.

г ki кз гз .(5)

После истечения времени г регистрируют температуру термопреобразователя. При этом зарегистрированное значение температуры термопреобразователя равно искомому значению температуры горных пород в шпуре или скважине, а продолжительность измерения менее суммы ri . Т2 , г из формул (1), (2), (5) ввиду обеспечения реализацией заявляемого способа выбора значения TI в независимости от конкретных значений теплоФизически характеристик горных пород в зоне контакта с термопреобразователем.

Устройство содержит терморегистор ный чувствительный элемент 1, (термометр сопротивления), преобразователь V теплового потока, установленные ня термоэлектрическом тепловом насосе 3 посредством тепловыравнивающей пластины -1 В преобразователе 2 теплового потока установлена дифференциальная термопара 5 с расположением спаев в центре и на периферии гон тактной поверхности преобразователя 2. Тепловой насос 3 смонтирован на теплоот- водящем теле 6 из теплоемкого материала. Устройство включает стабилизатор 7 тока, измерительный усилитель 8, управляемым индикатор 9, первый усилитель 10, двухпо- лярный компаратор 11, логический элемент ИЛИ-НЕ 12, блок 13 ключей, блок 14 питания, второй усилитель 15, компаратор 16, дифференциальный элемент 17, инвертор 18, логический элемент ИЛИ 19, 0-триггер 20, кнопку 21 запуска, датчик 22 коитама и ключ 23.

Кнопку 21 запуска включают при введении датчика в шпур, при этом на выходе D-триггера 200 0. Ключ 23 замыкает опору нулевого уровня двухполярного компаратора 11, который, сравнивая выходной сигнал усилителя 10 с нулем на уровне ± UDn и

подводя к тепловому насосу 3 через блок 13 ключей от блока 14 питания ток соответствующей полярности, обеспечивает выходной сигнал преобразователя 2 теплового

потока нулевого уровня. Через тепловосп- ринимающую поверхность термопреобразователь 2 участвует в теплообмене излучением с горными породами в шпуре. Этот теплообмен описывается уравнением

0 (2) и идет на изменение теплосодержания половины объема преобразователя 2 теплового потока, так как поддержание на его выходе сигнала нулевого уровня свидетельствует о равенстве нулю теплового потока

5 через термопреобразователь на половине толщины преобразователя 2 теплового потока.

После прижатия термопреобразовзтеля к поверхности массива рабочие спаи термо0 пары 5 преобразователя 2 теплового потока измеряют температуру, на выходе преобразователя 2 теплового потока появляется выходной сигнал, отличный от нуля. При этом срабатывает датчик 22 контакта и воздейст5 вует на S-вход D-триггера 20, на выходе которого устанавливается Q 1, Это обеспечивает подключение ключом 23 к двухполяр- ному компаратору 11 опоры напряжением Еоп. Это напряжение тождественно усилен0 ному в усилителе 10 выходному сигналу пре- обратовзтеля 2 теплового потока, пропорционального тепловому потоку, определенному по формуле (4).

Двухполярный компаратор 11 сравни5 вая выходной сигнал усилителя 10 с напряжением Етп в пределах ± Don, воздействуя блоком 14 питания через блок 13 ключей на тепловой насос 3, обеспечивает прохождение через преобразователь 2 теплового поП тока плотностью q. направляющие которого противоположны теплорому потоку в момент контакта термопреобразователя 2 с горными породами. Этот тепловой поток идет на изменение температуры термомет5 ра 1 сопротивления преобразователя 2 теплового потока и восстановление температурного поля горных пород, искаженного контактом с термопреобразова гелем 2. Далее наступает момент искажения темО пературного поля горньк пород противоположного направления, ведущий к изменению в противоположную сторону градиента температуры между центром и периферией контактной с термопреобразо5 вагелем 2 площадки горного массива. Это приводит к переполюсовке выходного сигнала дифференциальной термопаиы (или батареи термопар) 5. Выходной сигнал термопары 5 через усилитель 15 направляется в компаратор 16, где сравнивается по полярности. При переполюсовке выходного сигнала термолары 5 дифференциальный элемент 17 формирует импульс соответствующей полярности, в инверторе 18 импульс меняется на противоположный Выходы элементов 17 и 18, поданные на входы логического элемента ИЛИ 19, открывают его выход, который воздействует на С-вход D- тр ггера 20, на выходе которого Q Q (т.е. 0). Ключ 23 вновь подключает к двухполярному компаратору 11 опору нулевого уровня. На вход двухполярного компаратора 11 поступает через усилитель 10 выходной сигнал преобразователя 2 теплового потока, где сравнивается со значениями опор. При выходе сигнала усилителя 10 за пределы опор (+U0n...-U0n) двухполярный компаратор 11 через блок 13 обеспечивает подключение к термоэлектрическому тепловому насосу 3 тока соответствующей полярности от блока 14 питания. При этом выход логического элемента 12 заперт, тепловой насос 3 обеспечивает отвод (или подъем) теплоты от преобразователя 2 теплового потока и термометра 1 сопротивления к тепло- отводящему телу (от теплоогводящег о тела) 6.

При достижении на преобразователе 2 теплового потока сигнала нулевого уровня блок 13 ключей отключает источник 14 пита ния от теплового насоса 3. логический элемент 12 обеспечивает индикацию ны ходного сигнала термометра 1 сопротивления, поданного через измерительный усилитель 8 на вход управляемого индикатора 9, воздействуя на второй вход последнего.

Время приобретения термометром 1 со противления (чувствительный элемент термопреобразователя) температуры горных пород определяют по формуле

2

Т ki К2 КЗ ,--;г9 ,- -(6)

(А С р ) мин

где (Я С-р)мин - минимальное значение теплоусвоения (произведение тепло проводности на объемную теплоемкость) горных пород, встречающихся в регионе.

ki - постоянный для термопреобразователя коэффициент: k2, кз - коэффициенты влияния диаметров термопреобразователя и шпура (скважины).

Формула (6) получена в результате решения задачи об изменении температуры бесконечной пластины, приведенной в контакт с полуограниченным телом, и скорректирована экспериментально полученными коэффициентами.

В формуле (6) 5i(0.5(5i Ci +Й2 С2 -pi)

4 Ai Лп

(7)

0

5

0

5

где дг- толщина преобразователя 2 теплового потока: Сч, /01 . Ai - объемная теплоемкость и теплопроводность преобразователя 2 теплового потока:

(Ъ Сг р2 - толщина и объемная теплоемкость слоя между преобразователем теплового потока и контактной с горными породами поверхностью термопреобразователя 2.

При расчете постоянного коэффициента термопреобразователя в (7) да - О так как тепловоспринимающеи поверхностью является поверхность преобразователя 2 теплового потока В течение времени (6) поддерживают на выходе преобразователя 2 теплового потока сигнал нулевого уровня и затем регистрируют показания индикатора 9, соответствующие температуре термометра 1 сопротивления и искомой температуре горных пород.

Из графика, представленного на фиг. 6,

определяют k2 в зависимости от критерия

а 7

D

i

где а температуропроводность гор

ных пород встречающихся в регионе. 7 продолжительность поддержания на выходе преобразователя 2 теплового потока сигнспа нулевою уровня D диаметр термопреобразователя

Из графика представленного на фиг. 7, определяют кз в зависимости от критерия

Л 7

R

где R радиус шпура (скважины).

0

5

0

5

Применение предлагаемого способа сокращает продолжительность изменения температуры горных пород в шпурах (сква- ,-,инах), позволяет конкрегиз11ровать наступление момента корректного измерения температуры после осуществления контакта термопреобразователя с горными породами, имеющими любые теплофизические характеристики

Повышение быстродействия изменения температуры достигается в основном за счет снижения возмущения температурного поля горных пород контактом с термопреобразователем и конкретизации момента корректного измерения температуры горных пород

Формула и з о б р е т р ч и я

Способ измерения темпер i /ры горных пород в шпурах или скояжинл включающий осуществление конт.ит,) термопреобразователя с поверхносiью горных пород, изменение температуры и рмппреобразо- вателя. выдержку термопр м ртювателя во

времени и регистрацию температуры, о т - личающийся тем, что. с целью повышения быстродействия и точности измерения, после осуществления контакта определяют направление теплового потока через контактную поверхность формируют подведение к термопреобразователю встречного теплового потока, плотность q которого определяют по формуле

Амакс

q 2,5 -3

А,

Dд

где Лмакс - максимальное значение теплопроводности горных пород в регионе; D - диаметр термопреобразователя; Ад - допустимая абсолютная погрешность измерения,

при этом отслеживают градиент температуры между центром и периферийной контак

5

тной поверхностью, фиксируют момент пе- реполюсовки этого градиента и исключают тепловой поток через преобразвоатель. а регистрацию температуры осуществляют через время г. определяемое по формуле

2

г ki ks кз

( Лср мин

где ki - постоянный для термопреобразователя коэффициент;

К2 - коэффициент влияния диаметра термопреобразователя;

кз - коэффициент влияния диаметра шпура или скважины;

р - плотность встречного теплового потока;

(Аср ) мин - минимальное значение тепловой активности горных пород региона.

Изобретение относится к исследованию скважин. Цель - повышение быстродействия и точности измерения температуры горных пород. Способ включает спуск термопреобразователя (ТП) в скважину, обеспечение его контакта со стенкой, изменение температуры ТП и измерение температуры после выдержки во времени. При этом после контакта определяют направление теплового потока через контактную поверхность и формируют встречный поток ТП с заданной плотностью, определяемой по приведенной в изобретении формуле. При наличии последнего фиксируют момент пе- реполюсовки градиента температуры между центром и периферией контактной площадки Исключают тепловой поток через ТП, производят регистрацию температуры через заданное время Последнее зависит от конструкции преобразователя и диамет ра скважины Применение способа позволяет измерить температуру горных пород с любыми теплофизпчв хими характеристиками. 7 ил

1 г

ЖЖ

риг1

1 40 ЮО WOO 7, с

Фиг.З

i

Ч

м

9

0,9 0.8

07

0,6

О

Ъ Ъ

Фиг.

НфН

Риг.$

Ъ 2.