Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВСКВАЖИНЕ(57) Изобретение относится к геофзическим измерениям, Цель - расшиние функциональных воэможностей иповышение информативности за счетодновременного измерения трех геофизических параметров. Устройство со.держит двухполярный источник 1 тока11520238 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 мостовойтензодатчик 13 с тензорезисторами 14,15, 16, 17, восемь диодов 21-28, до"полнительный реэистивный датчик 19.При подаче тока дроссель 20 имеетвысокое сопротивление, а затем помере насыщения сердечника - пренебрежимо малое. Устройство имеет четырецикла работы. В первом цикле подается ток положительной полярности ишунтируются тензорезисторы 16, 15тензодатчика 13. Ток протекает податчику 18, Напряжение О, преобразуИзоЬретение относится к дистанционным измерениям геофизических параметров резистивными датчиками и может найти применение при измерениикомплекса физических величин, преобразуемых в изменение активного сопротивления (температуры, давления,расхода и т.п.) в скважинах, с использованием двухпроводной линиисвязи.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей иповышение информативности за счетодновременного измерения трех геофизических параметров.На фиг.1 приведена структурно"функциональная схема устройства дляизмерения комплекса геофизическихпараметров в скважине; на Фиг.2 структурная схема преобразователя напряжения в код; на фиг.3 - структурная схема блока управления; на Фиг,4 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 4 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 тензореется в код преобразователем 2, фиксируется и поступает на вход блока 3вычитания. Во втором такте дроссель 20 имеет малое сопротивление и шунтирует датчик 18, Напряжение 0поступает на вход блока 3. Третий и четвертый такты образуют напряжения 11и Б при смене полярности источника 1 тока. В результате вычитания напряжений оЬразуются коды, пропорциональные изменению сопротивлений датчиков18, 19 и тензодатчика 13. Результатыфиксируются в блоке 4 индикации. Применение устройства позволяет икслючить влияние параметров линии связи на результат измерения, повысить информативность за счет измерения трех параметров в рамках четырех цик"лов работы устройства. 4 ил. 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 преобразователя 2 напряжения в код, который своими выходами подключен к входам блока 3 вычитания, выходы которого подключены к входам блока 4 индикации. Влок 5 управления выходом 6 подключен к управляющему входу источника 1 тока, а выходами 7-10 " к управляющим входам преобразователя 2 напряжения в код. Параллельно каждому из тензорезисторов 14"17 мостового тензореэисторного датчика 13 давления подключены каждый из диодов 21-24, причем одна из точек питающей диагонали датчика 13 (тенэомоста) 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 24, анодам диодов 25 и 27, катодам диодов 26 и 28; Две точки измерительной диагонали тензомоста 13 подключены.к анодам диодов 21 и 23 и катодам диодов 22 и 24 соответственно. Второй провод 12 линии связи в глубинной части подключен к первым выводам резистивных датчиков 18 и 1температуры и дросселя 20. Второй вывод дросселя 20 подключен к катоду51 О15 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 33-36 и четыре аналого-циФровых преобразователя (АЦП) 37-40Блок 3 вычитания содержит три ариФметико-логических блока (не показаны). Блок 5 управления включает генератор 41 прямоугольных импульсов, делители 42-44 частоты, инверторы 45-47 и логические элементы И 48-51, выходы 7-10 которых соответственно являются управляющими входами для преобразователя 2 напряжения в код, а выход 6 делителя 44 - управляющим входом для источника 1 тока,Устройство для измерения комплек"са геоФизических параметров в скважине работает следующим образом.Генератор 41 прямоугольных импуль"сов блока 5 управления вырабатываетпоследовательность прямоугольных импульсов 114, (Фиг.4), частота которыхделится на делителях 42-44 (04, 14 з,04 ). По совпадению сигналов высокоГо уровня 4 е 1143 и 1 44 на выходеэлемента И 48 (ц ) Формируется импульс, управляющий УВХ 29 преобразователя 2 напряжения в код. По совпадению импульсов с выходов инверторов45 и 46 и выхода делителя 44 на выходе элемента И 49 (ц 4 в) Формируетсяимпульс, управляющий УРХ 30,. По совпадению импульсов с выходов делителей 42 и 43 (ц , ц 4,) и инвертора 47на выходе элемента И 50 (У ,) Формируются управляющие импульсы УВХ 3 1.При совпадении сигналов высокогоуровня с выходов инверторов 45-47на выходе элемента И 51 (11) Формируются импульсы, управляющие УВХ 32.Сигнал с выхода делителя 44 (Б 4,)поступает на выход 6 блока 5 управления для управления двухполярным источником 1 тока,По сигналу высокого уровня с выхода 6 (04 ) блока 5 управления в линии связи по проводам 11 и 12 протекает ток положительной полярности.При этом ток течет по образующимсяпараллельным цепям, первая из которыхсостоит из последовательно включенных тензорезистора 14 мостового дат 25 30 35 40 45 50 55 чика 13 и диода 23, включенного приданной полярности тока в прямом направлении и шунтирующего вследствиеэтого тензореэистор 15, а вторая цепьобразуется из последовательно включенных тензореэистора 17 и диода 22,Для тензодатчиков, изготовленных поинтегральной технологии, к которымотносится используемый мостовой тенэодатчик 13 давления, справедливоутверждение о равенстве сопротивления всех плеч моста при отсутствиидавления, т,е.1 4 1 5 р К 4 И 1 Ку (1)где Г, Р,4 оК, Р.,7 - начальное сопротивление тенэорезисторов 14-17 тензодатчика 13 при отсутствии давления,а следовательно, равны приращениясопротивления ЬГ р тензорезисторов,образующие плечи моста, под действием давления. Обеспечивая равенствосопротивлений постоянному току всехдиодов, включенных в прямом направ"ленин1 ччл= ч = Рчз= В чу= Г, (2)методом индивидуальной подборки, мож"но утверждать то, что ток в каждойиз образующихся цепей равен половинетока 1 источника 1 тока. Посколькуиспользуется дроссель 20 с прямо"угольной петлей гистереэиса, например, намотанный на кольцевом сердечнике из железноникелевых сплавов, тов процессе намагничивания и перемагничивания через его обмотку протекаетток незначительной величины (порядка0,1 мА), т.е. его полное сопротивле"ние Х- ж. В момент, когда дроссельвходит в насыщение, сопротивлениеего определяется сопротивлением обмотки и является пренебрежимо малым.В начальный момент времени проте"кания тока 1 дроссель 20 начинаетнамагничиваться и весь ток течет подиоду 25, включенному в данном случае в прямом направлении, и резистивному датчику 18, Таким образом, в начальный момент времени напряжение навходе преобразователя 2 напряженияв код определяется выражением Л ( 31) Ч 15- активное сопротивление тен 5зорезистора с положительным приращением сопротивления при увеличении давления, которое с учетом (1)можно записать в виде К,К,= К,+ акр; (4) " эквивалентное сопротивление, определяемое с уцетом(1) и (2) по выражению К 75г К 16г15КищщающфгФ (5)К+г К 1+гК , - сопротивление постоянномутоку диода 25,К, - активное сопротивление резистивного датчика 18,Напряжение 11 (3) импульсом 0с выхода 7 блока 5 управления запоминается в УВХ 29 преобразователя 2напряжения в код, а по окончанииуправляющего импульса формируетсясигнал высокого уровня на- выходе инвертора 33, разрешающий работу АЦП,который Формирует на своей выходнойшине параллельнь 1 й кодгде К - коэффициент преобразованияАЦП.В следующий момент времени дроссель 20 входит в насыщение, шунтируярезистивные датчики 18 и 19 (весь З 5ток 1 течет через дроссель 20), Нап"ряжение в этот момент определяетсявыражением По команде блока 5 управления на выходе 6 (Б ) Формируется низкий уровень сигйала, управляющий источником 1 тока. В линию связи начинает течь ток (-1) обратной полярности, но равной амплитуды, Дроссель 20 нацинает перемагничиваться и ток течет по вновь образованной цепи: резистивному датцику 19, диоду 26 и параллельным ветвям - диоду 24, тензорезистору 16 и тензорезистору 15, диоду 21. Напряжение на входе преоб" разователя 2 напряжения в код в этот момент времени определяется выраже- нием з (2 л (К К 2) + К ч 26+1- активное сопротивлениерезистивного датчика 19,- сопротивление постоянномутоку диода 26,- активное сопротивлениетензорезистора с отрицательным приращением сопротивления при увеличениидавления, которое с учетом (1) и указанного можнозаписать в виде15 К 16,1 оКр 3 (10)(1) и (2) по выражению Км г К 1 тг .фг (11) К+г К,;(7) где К- сопротивление постоянномутоку диода 27.Сопротивлением обмотки дросселя 45 20, находящегося в насыщении, можно пренебречь ввиду его незначительности. Напряжение 02 (7) импульсом с выхода 8 блока 5 управления запоминается в УВХ 30 преобразователя 2, а по окончании импульса сигналом высокого уровня на выходе инвертора 34 производится преобразование входного напряжения в параллельный код в АЦП 38и = К ц , (8)На Фиг.4 показано изменение вход-, ного для преобразователя 2 напряжения 11 и отмечены точки, в которые происходит запоминание напряжений.(13)по сигналу 0 5, с выхода 10управления запоминается ва затем по сигналу высокого Напряжение Б управляющим сигналом П , с выхода 9 блока 5 управления запоминается в УВХ 31 преобразователя 2, а затем пви появлении сигнала высокого уровня на выходе инвер" тора 35 происходит преобразование этого напряжения в АЦП .39 в параллельный код11 з = 1 11 з (12)В следующий момент времени дроссель 20 входит в насыщение, шунтируя резистивные датчики 18 и 19, и напряжение 0 на входе преобразователя 2 определяется выражением20238 9 15 уровня с выхода инвертора 36 преобразуется в АЦП 40 в параллельный кодЫ, = 1 с 1. (14)Получаемые по мере преобразования коды И - И поступают по своим шинам на входы трех арифметико-логичес. ких блоков (АЛБ) блока 3 вычитания, причем на входы первого АЛБ поступа" ют параллельные двоичные коды И Х где производится вычитание И, - И , на входы, второго АЛБ - коды И И(осуществляется операция И- И), а на входы третьего АЛБ - коды И и И , где производится вычитание Е - И.В результате проделанных операций на выходах АЛЬ формируются соответственно кодыИ 5 И 1 1 2 11 1 1121 В чт 5 -ч 1+ 11 ) э (15)Из Иф 1113 Ю= 11 чы - чв+ 1)1 (16) 5 О 5 20 И = 10 г 11 о = 45 50 кцк) (к )(17) где М , Г , И, - коды соответственнона 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 К 1 К , и 1 сХВ. изменение которых вносит дополнительную погрешность в результат измеРения. В случае их использования и обеспечения равенства1,= Р = К = Г, ,: (1 Е) что достигается индивидуальной их подборкой, результаты преобразований (15) и (16) принимают видИ,= ИК; (19)(20)Используя выраиейия (4), (5) (10) и (11) и равенство (18) выражение (17) преобразуется к виду 25 30 35 40 ражаться в единицах измеряемого параметра при соответствующей градуировке устройства. Каждый из полученныхрезультатов (19)-(21) зависит толькоот своего измеряемого параметра, пре"образуемого в активное сопротивлениесоответствующего резистивного датчика, и инвариантен к параметрам линиисвязи. Формула изобретенияУстройство для измерения комплекса геоФизических параметров в скважине, содержащее первый резистивный датчик. температуры, дроссель, двухпроводную линию связи, источник тока, преобра" зователь напряжения в код, блок управления, блок вычитания и блок индикации, причем первые выводы дросселя и первого реэистивного датчика подключены через первый провод линии связи к первому выходу источника тока и первому входу преобразователя напряжения в код, второй вход кото" рого соединен с вторым выходом источ" ника 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей и повышения информа-.тивности за счет одновременного из" мерения трех геофизических параметров, оно снабжено вторым резистивным датчиком температуры, мостовым интегральным тенэорезисторным датчиком давления, первым - восьмым диодами,причем первый - четвертый диодывключены по мостовой схеме иподключены параллельно каждому из.четырех тензорезисторов мостовогодатчика давления, при этом точка соединения разноименных выводов первогои третьего диодов соединена с первымвыводом питающей диагонали мостовогодатчика давления и с вторым проводом линии связи, а точка соединения разноименных выводов второго и четвертого диодов подключена к второму выхо"- ЬЕ р+ г) + г - г) = ИйК р. (21) Полученные результаты поступают на блок 4 индикации,. где могут отоб ду питающей диагонали мостового датчика давления, выводы измерительной диагонали которого подключены соответственно к об 0 им точкам соединенияодноименных выводов первого - четвер152023812того диодов, второй вывод питающей диода соединен с вторым выводом втодиагонали мостового датчика давления рого резистивного датчика температусоединен с анодами пятого и седьмого ры, первый вывод которого подключен диодов и катодами шестого и восьмого к первому проводу линии связи катод5) диодов, катод пятого диода подключен седьмого диода соединен с анодом к второму выводу первого резистивно- восьмого диода и вторым выводом дросго датчика температуры, анод шестого селя,815 гог 38 Юру Составитель А.Рыбаков.Редактор И.Шулла Техрел П.Олийнык Корректо чако Заказ 6734/36 Тираж 511 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Ж, Раущская наб., д; 4/5 ю