Устройство для измерения геофизических параметров в скважине
Изобретение относится к измерению скважинных параметров приборами на кабеле . Цель - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей . Устр-во содержит датчик 1 температуры , образцовый резистор 2, два диода 7, 8, провода 15, 17 линии связи, двухполярный источник 18 тока, блок 23 вычисления. Устрво содержит второй источник 19 тока, дифференциальный усилитель 20, ключ 21, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 22, блок управления (БУ) 25, блок 24 индикации , резистивные датчики 5, 6, 3, 4, дроссель 14, провод 16 линии связи и диоды 9- 13. Блок 23 содержит преобразователь параллельного кода.в последовательный, триггер , реверсивный счетчик. В первом такте работы источники 18, 19 генерируют по команде БУ 25 положительные напряжения, во втором - отрицательные. На входах усилителя 20 напряжение определяется сопротивлением нагрузки источников 18, 19. Последнее зависит от диодов, дросселя 14, полярности источников 18, 19 и резистивных датчиков. Выходное напряжение усилителя 20 оцифровывается АЦП 22. На выходе блока 23 последовательно появляются цифровые коды параметров температуры, давления , расхода и диаметра скважины. Ключ 21 переключается БУ 25. Изобретение позволяет за один цикл преобразования измерить четыре параметра, что приводит к ускорению проведения работ. 4 ил. ю (Л
ССЮЭ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
Il0 ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ACHT СССР (21) 4666387/03 (22 ) 27.03.89 (46) 15.03.91. Бюл. № !0 (7! ) Уфимский нефтяной институт (72) Ю. Д. Коловертнов, В. Н. Федоров, И. В. Мухаметшин и Е. С. Дамрин (53) 622.241 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 877352, кл. G Ol К 7/16, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В
СКВАЖИНЕ (57) Изобретение относится к измерению скважинных параметров приборами на кабеле. Цель — повышение точности измерений н расширение функциональных возможностей. Устр-во содержит датчик 1 температуры, образцовый резистор 2, два диода 7, 8, провода 15, 17 линии связи, двухполярный источник 18 тока, блок 23 вычисления. Устрso содержит второй источник 19 тока, дифференциальный усилитель 20, ключ 21, ана„„SU„. 1634779 A 1 (51)5 E 21 В 47 06
2 лого-цифровой преобразователь (АЦП) 22, блок управления (БУ) 25, блок 24 индикации, резистивные датчики 5, 6, 3, 4, дроссель 14, провод 16 линии связи и диоды 9—
13. Блок 23 содержит преобразователь параллельного кода, в последовательный, триггер, реверсивный счетчик. В первом такте работы источники 18, 19 генерируют по команде БУ 25 положительные напряжения, во втором — отрицательные. На входах усилителя 20 напряжение определяется сопротивлением нагрузки источников 18, 19. Последнее зависит от диодов, дросселя 14, полярности источников 18, 19 и резистивных датчиков. Выходное на и ряжение ус ил ителя 20 оцифровывается АЦП 22. На выходе блока 23 последовательно появляются цифровые коды параметров температуры, давления, расхода и диаметра скважины. Ключ
2l переключается БУ 25. Изобретение позволяет за один цикл преобразования измерить четыре параметра, что приводит к ускорению проведения работ. 4 ил.
1634779 з
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к дистанционному измерению геофизических параметров, преобразуемых в изменение активного сопротивления резистивных датчиков (температуры, давления, аномалий температуры, расхода, диаметра и т. и.) в скважине.
Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения геофизических парамегров в скважине; на фиг. 2 — структурная схема блока управления; на фиг. 3— структурная схема блока вычисления; на фиг. 4 — временные диаграммы работы блока управления и устройства в целом.
Устройство для измерения геофизических параметров в скважине содержит резистивный датчик 1 температуры, образцовый резистор 2, полумостовой тензорезисторный датчик давления, включающий тензорезисторы 3 и 4, резистивные датчики 5, 6 расхода и диаметра, семь полупроводниковых нелинейных элементов с односторонней проводимостью (диоды) 7 в 13, дроссель 14, намотанный на сердечнике с прямоугольной характеристикой намагничивания, трехпроводную линию связи с сопротивлением проводов 15, 16, 17, двухполярные источники 18, 19 тока, дифференциальный усилитель 20, переключаемый ключ 21, быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (БАЦП) 22, блок 23 вычисления, блок 24 индикации, блок 25 управления. Общая точка соединения резистивного датчика 1 температуры и образцового резистора 2 подключена к анодам диодов 9, 10 и 11 и к катодам диодов 12, 13. Другие выводы датчика 1 и образцового резистора 2 подключены соотнег«твенно к катодам диодов 7 и 8, аноды которых подключены к точкам соединения
«оответственно провода 15 линии связи с выводом тензорезистора 3 датчика давления и провода 17 линии связи с выводом тензорезистора 4. Общая точка других выводов генэорезисторов 3 и 4 соединена с катодом диода 9. Катод диода 10 и анод диода !3
«оеди иены соответственно с выводами датчиков 5 и 6, а общая точка катода диода 11 и анода 12 соединена с выводом дросселя 14, другой вывод которого подключен к общей точке других выводов датчиков 5, 6 и провода 16 линии связи. Другой конец провода 15 линии связи подключен к выходу исгочника 18 тока, неинвертирующему входу дифференциального усилителя 20 и к входу переключаемого ключа 21. Другой конец провода 17 линии связи подключен к выходу источника 19 тока и к инвертирующему входу дифференциального усилителя 20. Другой конец провода 16 линии связи подключен к другим выходам источников 18, 19 тока и к общему проводу устройства. Выход дифференциального усилителя 20 подключен
55 к другому входу переключаемого ключа 21, выход которого подключен к входу БАЦП 22.
Выходная шина БАЦП 22 соединена с входами блока 23 вычисления, выходы которого соединены с входами блока 24 индикации.
Блок 25 управления подключен своими выходами 26, 27, 28, 29 к управляющим выходам источников 18, 19 тока, переключаемого ключа 21, БАЦП 22, блока 23 вычисления.
Блок 25 управления включает генератор 30 тактовых импульсов, делители 31, 32, 33 частоты, логические элементы ЗИ-НЕ совпадения 36, 37, логический элемент ИЛИ
38, инвертор 39, дифференцирующий элемент 40, диод 41, логические элементы 2И 42, 43, дифференцирующий элемент 44, диод 45, логические элементы ИЛИ 46, 47, одновибратор 48.
Блок 23 вычисления включает преобразователь 49 параллельного кода в последовательный, триггер 50, реверсивный счетчик 51.
Дроссель 14 выполнен с применением железоникелевого сердечника типа НМ-79 с прямоугольной характеристикой перемагничивания.
Сопротивление диодов 7 в 13 постоянному току в прямом направлении подобраны по следую щи м соот но шеи и ям:
R7=R8i RIII=RI I l R12=R13. (1)
Устройство работает следующим образом.
Генератор 30 тактовых импульсов генерирует прямоугольные импульсы частотой
f0, скважностью 2 (U30 фиг. 4). Делителями 31 — 33 частота fo делится соответственно на 2 (U31), на 4 (U33), на 8 (U33). На выходе элемента ИЛИ 38 формируются сигналы, управляющие работой переключаемого ключа 21 таким образом, что при низком уровне управляющего сигнала выход ключа 21 подключен к выходу дифференциального усилителя 20, а при высоком уровне управляющего сигнала — к проводу 15 линии связи. Управляющие сигналы U33 низкого уровня формируются при совпадении импульсов на входах элементов ЗИ-НЕ или совпадении на входах элемента ЗИ-HE 37. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 38 (U311) инвертируется посредством элемента 39, укорачивается дифференцирующим элементом 40 и через диод
41, не пропускающий импульсы обратной полярности, поступает на элемент ИЛИ 46, на два других входа которого поступают сигналы высокого уровня с элемента 2И 42 и с элемента 2И 43 через дифференцирующий элемент 44 и диод 45. Управляющие сигналы высокого уровня с выхода элемента
ИЛИ 46 (U41;) являются разрешающими для работы БАЦП 22. Спадом импульсов с выходов элемента 2И 42 и дифференцирующего элемента 44 (через диод 45) запускается одновибратор 48, формирующий управляющие импульсы (/48 для разрешения работы преобразователя 49 блока 23 вычис1634779 ления и счетчика 51. При этом каждый первый из двух импульсов (Ui(!) устанавливает триггер 50 в положение, когда на неинвертирующем выходе появляется сигнал, разрешающий работу счетчика 51 для обратного счета.
В первом такте преобразования на выходе 26 блока 25 управления в течение времени
То появляется сигнал высокого уровня (//зз), по которому источники 18, 19 тока генерируют равные по величине и положительного направления относительно общей точки токи I. Одновременно на выходе 27 блока 25 появляется сигнал низкого уровня U», по которому выход ключа 21 подключается к выходу дифференциального усилителя 20, а на выходе 29 сигнал высокого уровня U4o, разрешающий работу БАЦП 22.
В первый момент времени, когда дроссель 14 находится в стадии намагничивания и токи по нему практически не текут, падения напряжений между проводами 15 í 16 (U. „), 17 и 16 (U„„) определяются ссютветственно выражениями:
6 =/(К(+К(о)+/Я;+К(+К(о+Ко); (2)
U (= l(R! s+ R (1) + /(R((+ Ro+ R (o+ R(a), (3 ) где U!, U! — падения напряжений соответственно между проводами 15, l6 и 17, 16 линии связи в первый момент времени;
R!o, Ь !, R(-- активное сопротивление проводов 15, 16, 17 линии связи;
R-„ Rs, R!o — сопротивление постоянному току диодов 7, 8, 10 в прямом направлении;
R!. R, Ro, — сопротивление соответственно резистивных датчиков температуры 1, расхода 5 и образцового резистора 2.
Напряжения UI u UI прикладываются соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя 20, выходное напряжение которого, принимая во внимание, что линия связи симметрична (т. е. справедливо утверждение
Ь (s=R(q=R(;) и учитывая условие (1), определяется разностью:
Л U, = U! — U! =/(R, — R,o) . (4)
Напряжение ЛЬ (подается на вход БАЦП
22 где ио команде блока 25 преобразуется в параллельный код: .,У (=а Л U, =a/1R, — Rо), (5) где а — коэффициент преобразования, пропорциональный приращению сопротивлениц датчика I (/,) в функции гемиературы ARi при равенстве базового значения сопротивления R„, сопротивлению образцового резистора 2 (Ro).
Код в блоке 23 вычисления поступает непосредственно на его выход и затем на вход блока 24 индикации, где информация может отображаться в единицах измеряемого параметра, в частности температуры
6 при соответствующей градуировке устройства.
В следующий момент времени, пока дроссель 14 находится в стадии намагничивания, 5 на выходе 27 блока 25 появляется сигнал высокого уровня ((/»), по которому выход ключа 21 подключается к проводу 15 линии связи, а на выходе 29 появляется второй сигнал высокого уровня (Uis), разрешающий работу БАЦП 22. Падение напряжения !
0 в этот момент времени между проводами 15 и 16 на входе линии связи, определяемое выражением (2), преобразуется в БАЦП 22 в параллельный код
Л;=а//(, (6) !
5 который поступает в блок 23 вычисления, где по команде U В следующий момент времени, когда 20дроссель 14 находится в насыщении, падение напряжения между проводами 15, 16 на входе линии связи определяется выражением Uz=/(R (s+R(s)+I(R7+Ri+ R((+ R4 ) (7 ) Управляющим импульсом (/4о с выхода 29 блока 25 управления напряжение U БАЦП 22 преобразуется в код Хз=а/I, (8) который поступает в блок 23, где вторым по счету управляющим импульсом //48 с выхода 28 блока 25 преобразуется преобразоЗ-) вателем 49 в последовательный код, считываемый счетчиком 5! в обратном направлении. Таким образом, в конце первого такта преобразования на выходе счетчика 51 вычислительного блока 23 формируется код, определяемый выражением (учитывая услоЗ5вие (!)): % < —— Л вЂ” Л з=а/(Кц — RÄo). (9) Поскольку сопротивление обмотки R„„ дросселя 14 находится в насыщении, мало (не превышает величины 50 мм) по сравнению с сопротивлением резистивного датчи40 ка 5 расхода (R< ), то им можно пренебречь, не ухудшая метрологические характеристики устройства в целом. Тогда выражение (9) можно записать в виде Л(4=а/Я (l0) Код А 4 поступает на вход блока 24 индикации, где информация может отображаться в единицах измеряемого параметра. Во втором такте преобразования на выходе 26 блока 25 управления в течение времени То появляется управляющий сигнал 50 низкого уровня /l», по которому источники 18, 19 тока генерируют равные по величине токи / обратного направления по отношению к первому такту преобразования (отрицательной полярности относительно общей точки). Одновременно на выходе 27 блока 25 55 появляется сигнал низкого уровня U», по которому выход ключа 21 подключается к выходу дифференциального усилителя 20, 1634779 а на выходе 29 — сигнал высокого уровня U46, разрешающий работу БАЦП 22. В первый момент времени при смене полярности течения тока I дроссель 14 находится в стадии перемагничивания и в это время падения напряжений между проводами 15, l6 (U,„) и 17, 16 (U, „) определяются соответственно выражениями: (3= 7(Р15+7416) l(R9+Rp+RI3+Rg) (11) (3 — l(R16+Й17) l(R9+Rp+R13+Ry), (12) где U3, U3 — 7падения напряжений соответственно между проводами 15, 16 и 17, 16 линии связи в первый момент времени во втором такте преобразования; R9, R13 — сопротивление постоянному току диодов 9, 13 в прямом направлении; R, R — активное сопротивление тензорезисторов соответственно 3 и 4 полумостового датчика давления; R+ — сопротивление резистивного датчика 6 диаметра. Напряжения U3 и U3 прикладываются соответственно к неинвертирующему и к инвертирующему входам дифференциального усилителя 20, выходное напряжение которого, учитывая, что линия связи симметрична, равно U2= (.73 К= l(Rp о р) (13) Сопротивление тензорезисторов в выражении (13) можно описать выражениями: л — 1 6+ 1 Р (14) R„=R6 — ARp, где Я6 — базовое сопротивление тензорезисторов 3 и 4; ЛР,— приращение активного сопротивления тенэореэисторов в функции давления. С учетом последнего выражение (13) примет вид Л U2= — 21Л/ р. (15) Напряжение AU2 подается на вход БАЦП 22, где по команде блока 25 преобразуется в параллельный код 2 — l1-1Rp (16) пропорциональный приращению сопротивления тензорезисторов 3, 4 в функции давления. Код N5 в блоке 23 вычисления поступает непосредственно на его выход и затем на вход блока 24 индикации, где информация может отображаться в единицах измеряемого параметра, в частности давления при соответствующей градуировке устройства. В следующий момент времени, пока дроссель 14 находится в стадии перемагничивания, на выходе 27 блока 25 появляется сигнал высокого уровня (U36), по которому выход ключа 21 подключается к проводу 15 линии связи, а на выходе 29 появляется сиг45 Применение устройства позволяет эа один цикл преобразования измерить четыре параметра скважины, причем два из параметров могут измеряться полумостовыми резистивными датчиками (при замене образцового резистора на резистивный датчик), 50 что приводит к ускорению проведения геофизических работ на скважине. Формула изобретения Устройство для измерения геофизических параметров в скважине, содержащее резистивный датчик температуры, образцовый резистор, первый и второй полупроводниковые элементы с односторонней проводи55 нал высокого уровня (U46), разрешающий работу БАЦП 22. Падение напряжения в этот момент времени между проводами 15 и 16 на входе линии связи, определяемое выражением (11), преобразуется БАЦП 22 в параллельный код N6=42 l U3l (17) который поступает в блок 23 вычисления, где по команде U4s блока 25 преобразуется преобразователем 49 в последовательный 1О код, считываемый счетчиком 51 в прямом направлении. В следующий момент времени, когда дроссель 14 находится в насыщении, падение напряжения между проводами 15, 16 на вхо15 де линии связи определяется выражением (4= l(R15+ R16) 7(Яу+ Кр+ 012+ Кб ). (18) Управляющим импульсом с/46 с выхода 29 блока 25 управления напряжение U4 в БА Ц П п реоб раз уетс я в код N7=al (74| (19) который поступает в блок 23, где четвертым по счету управляющим импульсом U46 с выхода 28 блока 25 преобразуется преобразователем 49 в последовательный код, счнты25 ваемый счетчиком 51 в обратном направлении. Таким образом, в конце второго такта преобразования на выходе счетчика 51 блока 23 формируется код, определяемый, принимая во внимание условие (1) и ранее приЗО веденные допущения, выражением Ns= N6 N7=alRs3. (20) Код 8 поступает на вход блока 24 индикации, где информация может отображаться в единицах измеряемого диаметра. Результаты преобразований каждого иэ 35 измеряемых параметров: температуры (5), расхода (1О), давления (!6) и диаметра (20) в скважине инвариантны к параметрам линии связи и инвариантны друг по отношению друга. При этом уменьшается динамическая погрешность измерения температуры и давления, поскольку преобразование указанных параметров в устройстве осуществляется в течение одного такта в один момент времени. l634779 10 мостью, первый и второй провода линии связи, блок вычисления и первый двухполярный источник тока, причем первый вывод резистивного датчика температуры соединен с первым выводом образцового резистора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, оно снабжено вторым двухполярным источником тока, дифференциальным усилителем, переключаемым ключом, быстродействующим аналого-цифровым преобразователем, блоком управления, блоком индикации, третьим проводом линии связи, резистивными датчиками расхода и диаметра, полумостовым тензорезисторным датчиком давления с двумя тензорезисторами, дросселем с прямоугольной характеристикой перемагничивания, с третьего по седьмой полупроводниковыми нелинейными элементами с односторонней проводимостью, при этом анод третьего полупроводникового элемента с односторонней проводимостью соединен с а нода мн четвертого и седьмого, катодами пятого и шестого нелинейных элементов с односторонней проводимостью, первыми выводами резнстнвного датчика температуры и образцового резистора, вторые выводы которых соответственно подключены к катодам первого и второго нелинейных элементов с односторонней проводимостью, аноды которых соединены соответственно с первым проводом линии связи, первым выводом первого тензорезистора датчика давления и вторым проводом линии связи, первым выводом второго тензорезистора датчика давления, вторые выводы первого и второго тензорезисторов подключены к катоду седьмого нелинейного элемента с односторонней проводимостью, причем катоды третьего и четвертого н анод шестого нелинейных элементов с односторонней проводимостью соответственно соединены с первым выводом резистивного датчика расхода, анодом пятого нелинейного элемента с односторонней проводимостью н первым выводом дросселя с прямоугольной характеристикой перемагничивания, первым выводом резистивного датчика диаметра, второй вывод 10 которого подключен к второму выводу резистивного датчика расхода, второму выводу дросселя с прямоугольной характеристикой перемагничивания и третьему проводу линии связи, другой конец которого подключен к общей шине и к вторым выходам первого и второго двухполярных источников тока, первые выходы которых подсоединены соответственно к первому проводу линии связи, неинвертирующему входу дифференциального усилителя, первому входу переключае20 мого ключа и к второму проводу линии связи, инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к второму входу переключаемого ключа, выход которого соединен с входом быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу блока вычисления, выход и управляющий вход блока вычисления соответственно соединены с блоком индикации и первым выходом блока управления, второй выход которого подклюЗ0 чен к управляющим входам первого и второго двухполярных источников тока, третий н четвертый выходы соединены соответственно с упра вляющи ми входам и переключ аемого ключа и быстродействующего аналогоцифрового преобразователя. l за 1634779 (1 (<к «;hè «л>, > I «,(»<ê<»< I>ñë, I I,3lh3, >. Ц<н.кв;<, Ж:3;>, (а> и<екав н«6, а 4,5 ! (рои в >.в I «< «>«> и «,« .. . ê и ок«вин«< I (3 <«
