Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. Они обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измерении на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей областях спектра. Диапазон измерения температур 900-2200?С с основной погрешностью ±1%.
Шумовые термометры. Для измерения температуры в диапазоне 4-1300К применяются шумовые термометры, действие которых основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой - при измеряемой.
Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки. А он, в свою очередь, зависит от температуры, и с ее повышением частота ЯКР понижается. Погрешность измерения температуры 10К составляет ±0,02К, а температуры 300К ±0,002К.
Термометры, использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), применяются для измерения низких температур. Прецизионный ЯМР-термометр предназначен для измерения температур от 1мК до 1К. Амплитуда сигнала ЯМР-термометра и период релаксации обратно пропорциональны абсолютной температуре [5].
В большинстве известных каротажных приборов и систем применяются резистивные (медные или платиновые) и полупроводниковые (на основе p-n перехода) датчики температуры. Однако указанные датчики имеют существенные недостатки.
Медные и платиновые термопреобразователи сопротивления обладают невысокой чувствительностью - их ТКС порядка 1/?С. По сравнению с медными платиновые термопреобразователи имеют существенно более высокую временную стабильность параметров, однако у них большие габариты и инерционность.
Полупроводниковые датчики на основе p-n перехода имеют малые габариты и тепловую инерцию, но их точность не велика - в диапазоне температур 0...100 ?С их погрешность порядка 0,5...1 ?С. В связи с этим их использование целесообразно в каротажных измерительных приборах и системах с невысокими требованиями к точности измерения температуры.
В то же время давно известны полупроводниковые резистивные преобразователи температуры (термисторы), большим достоинством которых является высокая чувствительность. Их ТКС порядка 1/?С, т.е. на порядок выше, чем у медных и платиновых терморезисторов. Однако их применение в термоизмерительной аппаратуре в течение многих лет сдерживалось следующими отрицательными факторами:
- существенной нелинейностью функции преобразования;
- неудовлетворительной временной стабильностью характеристик;
- большим разбросом характеристик от одного экземпляра к другому, а следовательно невзаимозаменяемостью.
Следует отметить, что в последние 10-12 лет в производстве термисторов произошли существенные изменения, которые определили перспективность их применения в разнообразных термоизмерительных приборах, в том числе и в приборах высокой точности.
С метрологической точки зрения к числу лучших из серийно выпускаемых термисторов можно отнести продукцию фирмы BetaTHERM (Ирландия). Совершенствование материалов и технологии позволило этой фирме обеспечить выпуск термисторов с высокой повторяемостью и долговременной стабильностью характеристик. Термисторы изготавливаются из различных материалов и имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Основные характеристики указанных термисторов [6]:
1. Рабочий диапазон температур (-50...+150) ?С;
2. Чувствительность (ТКС) (-4...-5) %/ ?С;
3. Погрешность из-за изменения характеристик во времени в течение 10 лет 0,01 ?С/год;
4. Погрешность из-за разброса характеристик от экземпляра к экземпляру в диапазоне (0...70) ?С (эта погрешность может быть исключена путем индивидуальной калибровки датчика) ±0,2 ?С;
5. Сопротивление различных термисторов при температуре 25 ?С
от 100 Ом до 1МОм;
6. Постоянная времени в жидкости у малоинерционных датчиков 0,3 с;
7. Малые габариты (например, миниатюрные термисторы microchip имеют диаметр 0,457 мм и длину 3,2 мм).
Таким образом, указанные термисторные преобразователи миниатюрны, малоинерционны, обладают высокой чувствительностью и долговременной стабильностью характеристик. Что касается нелинейности функции преобразования, то применение микропроцессоров или микро-ЭВМ позволяет легко учитывать реальную нелинейную функцию преобразования.
Следует отметить, что высокая чувствительность и большое сопротивление термисторов существенно упрощают построение последующих измерительных преобразователей и обеспечивают достижение высокой точности и разрешающей способности.
Таким образом, применение современных термисторов в средствах измерений для термического каротажа и соответствующих алгоритмов обработки информации и калибровки приборов позволяют обеспечить высокую точность измерений в широком диапазоне температур, высокую разрешающую способность, долговременную стабильность характеристик, высокое быстродействие, простоту конструкции датчика и схемы его включения.
2 Разработка структурной схемы
2.1 Структурная схема комплексной скважинной аппаратуры (КСА)
Комплексная скважинная аппаратура контроля технического состояния скважин и разработки нефтяных месторождений ГеоПАЛС КСП 16 (далее аппаратура) предназначена для работы в совокупности с каротажной станцией и геофизическим подъемником и позволяет осуществлять геологотехнологический контроль состояния скважин и контроль разработки нефтяных месторождений.
Контроль технического состояния скважин и контроль разработки нефтяных месторождений осуществляется путем измерения и передачи по каротажному кабелю телеметрической информации о температуре, давлении, влагосодержании и электрической проводимости флюида, магнитных неоднородностях (локация муфт), интенсивности притоков (термокондуктивная индикация притоков), гамма-активности, геохимических параметрах флюидов (водородный показатель pH, концентрации ионов натрия, хлоридов и т.п.), расхода жидкости.
Скважинная аппаратура состоит из базового модуля, транзитного модуля резистивиметра, транзитного гидрогеохимического модуля и модуля расходомера. Все модули имеют унифицированные стыковочные узлы.
Электрическое соединение модулей включает в себя 3 контакта: шина питания ( +5 В), информационная шина и общая шина (“земля”).
Передача измерительной информации со скважинной аппаратуры в геофизический регистратор осуществляется по геофизическому кабелю (максимальная длина каротажного кабеля 5000 м). Она предназначена для работы с серийно выпускаемыми геофизическими регистраторами типа ОНИКС, ГЕКТОР, КЕДР и т.п. При этом используется временное разделение каналов, двоичное кодирование и последовательная передача кодов по кабелю с помощью фазо-разностной модуляции. Аппаратура обеспечивает практически одновременное измерение и регистрацию 16 измеряемых параметров.
Структурная схема скважинной аппаратуры приведена на рис. 2.1.
На схеме изображены базовый модуль БМ и дополнительные модули: модуль электропроводности МЭ (модуль резистивиметра), гидрогеохимический модуль ГГХМ и модуль расходомера МР.
Через контакты разъемов во все модули проходят 3 шины: общая шина (“земля”), шина питания (+5 В) и шина информации. Передача измерительной информации и команд управления по информационной шине осуществляется в цифровой форме с адресацией.
Такая структура скважинной аппаратуры позволяет практически без ограничений изменять количество и состав дополнительных модулей, а также обеспечивает возможность изменять количество и назначение измерительных каналов, входящих в состав базового модуля в процессе дальнейшего развития аппаратуры.
Модуль расходомера МР содержит датчик расхода ДР турбинного типа и микропроцессор МП1, который преобразует частоту повторения импульсов датчика в цифровой код.
Гидрогеохимический модуль ГГХМ содержит два измерительных электрода ИЭ1 и ИЭ2 и электрод сравнения ЭС, подключенные ко входам измерительного преобразователя ИП1. Все электроды легко вставляются в соответствующие гермовводы ГГХМ, что облегчает их обслуживание и замену. Измерительный преобразователь ИП1 имеет высокое входное сопротивление (порядка 1012 Ом) и обеспечивает измерение разностей потенциалов между каждым измерительным электродом и электродом сравнения, а также между ЭС и корпусом прибора.
Микроконвертор МК1 преобразует все вышеуказанные напряжения в цифровые коды и передает их по информационной шине в микропроцессор МП2.
Модуль электропроводности (резистивиметр) содержит датчик электропроводности ДЭ, измерительный преобразователь ИП2 и микроконвеортор МК2. Датчик электропроводности ДЭ представляет собой индукционный (двухтрансформаторный) бесконтактный кондуктометрический преобразователь, выходной сигнал которого пропорционален электрической проводимости жидкости.
Измерительный преобразователь ИП2 осуществляет питание ДЭ переменным током и преобразование выходного сигнала ДЭ в постоянное напряжение. Микроконвертор МК2 преобразует это напряжение в цифровой код и передает его по информационной шине в микропроцессор МП2. Кроме того, МК2 и ИП2 реализуют алгоритм автоматической цифровой коррекции погрешностей резистивиметра, что обеспечивает достаточно высокую точность измерений в широком диапазоне электропроводностей и температур.
Базовый модуль БМ содержит три микроконвертора (МК3, МК4, МК5), каждый из которых обеспечивает работу двух измерительных каналов. Микроконвертор МК3 осуществляет питание датчиков давления (ДД) и термокондуктивного индикатора притока (ДСТИ), а также преобразование выходных сигналов этих датчиков в цифровые коды. Датчик давления ДД представляет собой серийно выпускаемый тензопреобразователь давления, выполненный по технологии “кремний на сапфире”. Для обеспечения высокой точности измерений давления в базовом модуле выполняется автоматическая цифровая коррекция дополнительной температурной погрешности и погрешности нелинейности ДД. Микроконвертор МК3 осуществляет питание ДД и преобразование его выходных сигналов в цифровые коды.
Датчик притока ДСТИ содержит термистор и нагреватель, питание которого включается (или выключается) оператором с помощью геофизического регистратора путем изменения тока питания скважинной аппаратуры.
Микроконвертор МК4 обслуживает каналы измерения температуры и влажности. В датчике температуры (ДТ) в качестве первичного преобразователя используется миниатюрный термистор, обладающий высокой чувствительностью и долговременной стабильностью характеристик. Для обеспечения высокой точности измерений применена нелинейная математическая модель функции преобразования термистора, которая используется для вычисления значения измеряемой температуры непосредственно в базовом модуле.
Датчик влажности ДВ представляет собой емкостной датчик диэлькометрического типа, электрическая емкость которого изменяется при изменении диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости. Измерительный преобразователь ИП3 преобразует емкость ДВ в период повторения импульсов, который в свою очередь преобразуется в цифровой код с помощью счетчика-таймера, входящего в состав МК4.
Микроконвертор МК5 обслуживает локатор муфт и гамма-канал. Датчик локатора муфт ДЛМ представляет собой дифференциальный индуктивный преобразователь, реагирующий на изменения магнитного сопротивления внешней магнитной цепи. Измерительный преобразователь ИП4 осуществляет питание датчика ДЛМ переменным током и преобразование дифференциальной индуктивности в постоянное напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код в микроконверторе МК5.
Для обеспечения надежной работы локатора муфт в широком диапазоне скоростей движения базового модуля в микроконверторе МК5 производится статистическая обработка данных, поступающих с ДЛМ, в результате которой выдаются два числа: оценка математического ожидания (МО) и оценка среднего квадратического отклонения (СКО).
Датчик гамма-канала ДГ включает в себя кристалл NaI (или CsI) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с высоковольтным источником питания. Выходной сигнал ДГ представляет собой случайную последовательность импульсов, средняя частота повторения которых пропорциональна интенсивности гамма-излучения. Для оценивания этой средней частоты в микроконверторе МК5 выполняется подсчет числа импульсов ФЭУ за 5с, причем производится скользящее усреднение со сдвигом на 1с.
Микропроцессор МП2 осуществляет управление информационной шиной, включая получение цифровых данных от всех датчиков базового и дополнительных модулей и передачу команд соответствующим узлам прибора. Цифровые данные, полученные в цикле опроса всех измерительных каналов, поступают из микропроцессора МП2 в микроконвертор МК6, в котором производятся вычисления значений измеряемых величин в соответствии с используемыми математическими моделями измерительных каналов и хранящимися в памяти МК6 индивидуальными значениями параметров этих моделей, а также в соответствии с используемыми алгоритмами автокоррекции погрешностей. Кроме того, в МК6 производится преобразование в цифровой код напряжения, пропорционального току стабилизатора напряжения блока питания БП.
При передаче измерительной информации по геофизическому кабелю используется двоичный код небольшой разрядности (15 информационных разрядов). В связи с этим для обеспечения максимальной эффективности использования этого кода в МК6 производится преобразование вычисленного значения каждой измеряемой величины в двоичный код, передаваемый по кабелю. Код, поступает в микропроцессор МП3, который преобразует его в код фазоразностной модуляции, управляющий работой устройства передачи данных УПД.
Блок питания БП преобразует ток питания, подаваемый по кабелю от геофизического регистратора, в стабилизированное напряжение +5 В на шине питания, а также формирует команду на включение СТИ при увеличении тока в кабеле , примерно, на 120 мА [7].
2.2 Структурная схема каналов измерения температуры и влажности
Здесь можно выделить два канала: канал измерения влажности и канал измерения температуры.
Первичным преобразователем влажности ППВ является емкостной параметрический датчик. Емкость удобнее всего преобразовывать в период или частоту. Значит, необходим измерительный преобразователь ИП, который бы осуществлял это преобразование. Частоту или период целесообразно преобразовать в цифровой код, для удобства передачи информации. Для этих целей используется АЦП1.
Аналогичную структуру имеет канал измерения температуры. Первичным преобразователем ППТ здесь является термистор. Для его питания необходим источник тока ИТ. При подаче тока на первичный преобразователь ППТ температура преобразуется в напряжение. В свою очередь, напряжение также целесообразно преобразовать в цифровой код. Поэтому необходим второй АЦП.
Для удобства дальнейшей передачи данных, а также для управления АЦП1 и АЦП2 необходим микроконтроллер КНТ, в состав которого входят следующие компоненты:
- микропроцессор МП;
- оперативно запоминающее устройство ОЗУ;
- память программ;
- интерфейс.
Управляющие воздействия от КНТ подаются на АЦП1 и АЦП2. Для передачи данных к каротажной станции используется цифровая магистраль.
Также в состав структуры должен входить блок питания, от которого питались бы все компоненты схемы. Сам блок питается от каротажной станции посредством магистрали питания.
Структурная схема приведена на рис. 2.2.
Структурная схема каналов измерения температуры и влажности
2
2
Рис. 2.2
2.3 Выбор основных узлов
Как уже отмечалось выше, датчик влажности представляет собой емкостной датчик диэлькометрического типа, электрическая емкость которого изменяется при изменении диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости.
Измерительный преобразователь емкости в период повторения импульсов представляет собой схему мультивибратора на операционном усилителе с большим коэффициентом усиления.
В качестве АЦП1 для преобразования периода в цифровой код используется таймер-счетчик.
В датчике температуры (ДТ) в качестве первичного преобразователя используется миниатюрный термистор, обладающий высокой чувствительностью и долговременной стабильностью характеристик. Для обеспечения высокой точности измерений применена нелинейная математическая модель функции преобразования термистора, которая используется для вычисления значения измеряемой температуры непосредственно в базовом модуле.
Большой ТКС термисторов определяет большое изменение сопротивления датчика в рабочем диапазоне температур. В связи с этим применение мостовой схемы включения датчика не имеет смысла. Поэтому в цифровых термоизмерительных приборах и системах целесообразно использовать Сигма-Дельта АЦП и ratio-метрическую схему подключения к нему термисторного датчика.
