Устройство для измерения геофизических параметров в скважине

СОЮЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ПАКТ СССР(71) Уфимский нефтяной институт(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 15,7 линии связи, двухполярный источник 18 тока, блок 23 вычисления. Устрво содержит второй источник 19 тока, дифференциальный усилитель 20, ключ 21, ана.ЯО 1634779 А 1(51)5 Е 2 В 47 06 глого-цифровой преобразователь (АЦП) 22, блок управления (БУ) 25, блок 24 индика. ции, 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, По. следнее зависит от диодов, дросселя 14, полярности источников 18, 9 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 2 переключается БУ 25. Изобретение позволяет за один цикл преобразования измерить четыре параметра, что приводит к ускорению проведения работ. 4 ил.1634779 зИзобретение 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 - 13, дроссель 14, намотанный на сердечнике с прямоугольной характеристикой намагничивания, трехпроводную линию связи с сопротивлением проводов 15, 16, 17, двухполярные источники 18, 9 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 соотнегственно к катодам диодов 7 и 8, аноды которых подключены к точкам соединения соответственно провода 15 линии связи с выволок тензорезистора 3 датчика давления и провода 17 линии связи с выводом тензореэистора 4. Общая точка других выводов гснзорезисторов 3 и 4 соединена с катодом диода 9. Катод диода 10 и анод диода 3 оединены 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, неинвертируюшему 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 2 И 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 НМс прямоугольной характеристикой перемагничивания.Сопротивление диодов 7 в 13 постоянному току в прямом направлении подобраны по следую щи м соот но шеи и ям:Й 7=йв 1 010=011 Р 12=013 (1) Устройство работает следующим образом.Генератор 30 тактовых импульсов генерирует прямоугольные импульсы частотой 0, скважностью 2 (Озв фиг. 4). Делителями 31 - 33 частота 0 делится соответственно на 2 Уз 1), на 4 (С/з 2), на 8 (Узз). 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 Озв низкого уровня формируются при совпадении импульсов на входах элементов ЗИ-НЕ или совпадении на входах элемента ЗИ-НЕ 37. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 38 (С/зв) 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 2 И 42 и с элемента 2 И 43 через дифференцирующий элемент 44 и диод 45. Управляющие сигналы высокого уровня с выхода элемента ИЛИ 46 (Ом) являются разрешающими для работы БАЦП 22. Спадом импульсов с выходов элемента 2 И 42 и дифференцирующего элемента 44 (через диод 45) запускается одновибратор 48, формирующий управляющие импульсы 04 в для разрешения работы преобразователя 49 блока 23 вычис 1634779ления и счетчика 51. При этом каждый первый из двух импульсов (1/8) 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 1. Одновременно на выходе 27 блока 25 появляется сигнал низкого уровня (/зн, по которому выход ключа 2 подключается к выходу дифференциального усилителя 20, а на выходе 29 сигнал высокого уровня (/4 о, ра эре ша ющи й работу БАЦ П 22.В первый момент времени, когда дроссель 14 находится в стадии намагничивания и токи по нему практически не текут, падения напряжений между проводами 5 и 16 (1/,), 17 и 16 (с/) определяются ссютветственно выражениями:Е =/(Й 1 ь+Й 16)+1(Й 7+ К+Ко+Йа); (2)(/ =1(И 6+А 7)+1(йн+Уо+ Йо+Рц), (3) где (/, С/ - падения напряжений соответственно между проводами 15, 16 и 17, 16 линии связи в первый момент времени;1 о, Яо, 07активное сопротивление проводов 15, 16, 17 линии связи; Й-, Йю, Ио - сопротивление постоянномутоку диодов 7, 8, 10 в прямом направлении;Р,. Й, Йо, - сопротивление соответственнорезистивных датчиков температуры 1, расхода 5 и образцового резистора 2.Напряжения С/ и С/ прикладываются соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя 20, выходное напряжение которого, принимая во внимание, что линия связи симметрична (т. е. справедливо утверждение Уз=йо=й;) и учитывая условие (1), оиределяегся разностью:,(/ =(/ - (/ =1(Ю - й ). (4) Напряжение ЛЬ подается на вход БАЦП 22 где ио команде блока 25 преобразуется в параллельный код:.У=аЛ(/,=а/(У - йо), (5) где а - коэффициент преобразования, пропорциональный приращению сопротивления датчика(Ь.,) в функции гемиературы ЛР, при равенстве базового значения сопротивления Ю сопротивлению образцового резистора 2 (Яо)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 6при соответствующей градуировке устройства,В следующий момент времени, пока дроссель 14 находится в стадии намагничивания,5 на выходе 27 блока 25 появляется сигналвысокого уровня /зв), по которому выходключа 21 подключается к проводу 5 линиисвязи, а на выходе 29 появляется второйсигнал высокого уровня (Ом), разрешающий работу БАЦП 22. Падение напряжения10 в этот момент времени между проводами 15и 16 на входе линии связи, определяемоевыражением (2), преобразуется в БАЦП 22в параллельный кодЛ а=а(/, (6)5 который поступает в блок 23 вычисления,где по команде Од блока 25 преобразуетсяпреобразователем 49 в последовательныйкод, считываемый счетчиком 51 в прямомнаправлении.В следующий момент времени, когда20 дроссель 14 находится в насыщении, падениенапряжения между проводами 15, 16 на входе линии связи определяется выражением(/2=1(Р 5+06)+1(Й 7+У)+И 1+Йзб) (7)Управляющим импульсом (/4 о с выхода 29блока 25 управления напряжение (/ БАЦП22 преобразуется в кодХь=а Сl, (8)который поступает в блок 23, где вторымпо 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 тактапреобразования на выходе счетчика 51 вычислительного блока 23 формируется код,определяемый выражением (учитывая услоЗ 5 вие (:1 2 1 3 а 1(К Кб) (9)Поскольку сопротивление обмотки йодросселя 14 находится в насыщении, мало(не превышает величины 50 мм) по сравнению с сопротивлением резистивного датчи 40 ка 5 расхода (Я ), то им можно пренебречь,не ухудшая метрологические характеристикиустройства в целом. Тогда выражение (9)можно записать в видеЛ/4=аЯ . (10)45Код А 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 сигнал50 низкого уровня (/зз, по которому источники 18, 19 тока генерируют равные по величине токи 1 обратного направления по отношению к первому такту преобразования (отрицательной полярности относительно общейточки). Одновременно на выходе 27 блока 2555 появляется сигнал низкого уровня 1/з, покоторому выход ключа 21 подключается квыходу дифференциального усилителя 20, 1634779а на выходе 29 - сигнал высокого уровня(/46, разрешающий работу БАЦП 22.В первый момент времени при смене полярности течения тока / дроссель 14 находится в стадии перемагничивания и в это времяпадения напряжений между проводами 15,16 /,) и 17, 16 /,) определяются соответственно выражениями;(12)где (/3, (lз - 7 падения напряжений соответственно между проводами 15,16 и7, 16 линии связи в первый момент времени во второмтакте преобразования;Й 9, И 13 - сопротивление постоянному току диодов 9, 3 в прямом направлении;Й Я, - активное сопротивление тензорезисторов соответственно 3 и 4полумостового датчика давления;И 9 - сопротивление резистивногодатчика 6 диаметра.Напряжения (/3 и (/3 прикладываютсясоответственно к неинвертирующему и к инвертирующему входам дифференциальногоусилителя 20, выходное напряжение которого, учитывая, что линия связи симметрична, равноЬ (/г= 1/3 - 1/3= - Рр - Йр) (13)Сопротивление тензорезисторов в выражении (13) можно описать выражениями;йр=йо+Мр,(14)й=йб - йр,где Йв - базовое сопротивление тензорезисторов 3 и 4;171 р - пРиРащение активного сопРотивления тенэореэисторов в функциидавления.С учетом последнего выражение (13) примет видЛ (/г= - 2/Мр. (15)Напряжение Л(/2 подается на вход БАЦП 22, где по команде блока 25 преобразуется в параллельный кодЛ (" г= /-/р, (16) пропорциональный приращению сопротивления тензорезисторов 3, 4 в функции давления.Код Л/5 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 /зв), по которому выход ключа 21 подключается к проводу 5 линии связи, а на выходе 29 появляется сиг 45 Применение устройства позволяет эаодин 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 полупроводни. ковые элементы с односторонней проводи. 55 нал высокого уровня (1/46), разрешающий работу БАЦП 22. Падение напряжения в этот момент времени между проводами 5 и 16 на входе линии связи, определяемое выражением (1), преобразуется БАЦП 22 в параллельный кодЛва 03 (17)который поступает в блок 23 вычисления, где по команде (/4 в блока 25 преобразуется преобразователем 49 в последовательный 10 код, считываемый счетчиком 51 в прямомнаправлении.В следующий момент времени, когдадроссель 14 находится в насыщении, падение напряжения между проводами 15, 16 на вхо де линии связи определяетс выражением(18)Управляющим импульсом с/46 с выхода 29блока 25 управления напряжение (/4 в БА Ц П п реоб раз уетс я в код%7=а 1(/41, (19)который поступает в блок 23, где четвертым по счету управляющим импульсом (/46 с выхода 28 блока 25 преобразуется преобразователем 49 в последовательный код, счнты ваемый счетчиком 51 в обратном направлении.Таким образом, в конце второго тактапреобразования на выходе счетчика 51 блока 23 формируется код, определяемый, принимая во внимание условие (1) и ранее при- ЗО веденные допущения, выражениемА в= //6 - /4/7= аЙу. (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 (10), 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.мостью, первый и второй провода линии связи, блок вычисления и первый двухполярный источник тока, причем первый вывод резистивного датчика температуры соединен с пер. вым выводом образцового резистора, отличающееся тем, что, с целью повышения точ 5 ности измерения и расширения функциональных возможностей, оно снабжено вторым двухполярным источником тока, дифференциальным усилителем, переключаемым ключом, быстродействующим аналого-циф ровым преобразователем, блоком управления, блоком индикации, третьим проводом линии связи, резистивными датчиками расхода и диаметра, полумостовым тензорезисторным датчиком давления с двумя тензо резисторами, дросселем с прямоугольной характеристикой перемагничивания, с третьего по седьмой полупроводниковыми нелинейными элементами с односторонней проводимостью, при этом анод третьего полупроводникового элемента с односторонней 20 проводимостью соединен с анодамн четвертого и седьмого, катодами пятого и шестого нелинейных элементов с односторонней проводимостью, первыми выводами резнстнвного датчика температуры и образцового резистора, вторые выводы которых соответст 25 венно 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 про. водимостью соответственно соединены с первым выводом резистивного датчика расхода, анодом пятого нелинейного элемента с одно. сторонней проводимостью н первым выводом дросселя с прямоугольной характеристикой перемагничивания, первым выводом резистивного датчика диаметра, второй вывод 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 переключае. 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 подклю. чен к управляющим входам первого и второго двухполярных источников тока, третий н четвертый выходы соединены соответственно с управляющими входами переключаемого ключа и быстродействующего аналогоцифрового преобразователя.