книги из ГПНТБ / Кривоносов, А. И. Полупроводниковые датчики температуры

шего исследования и практического применения тран­ зисторов в качестве термокомпенсаторов иизкоомных резисторов с положительным температурным коэффи­ циентом.

4-4. УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО к о н т р о л я ТЕМПЕРАТУРЫ

Создание дистанционных датчиков температуры имеет ряд характерных особенностей. В частности, это относится к их применению в условиях, когда последо­ вательно с ними включены длинные линии сопротивле­ нием около 2—3 ком. Эти длинные линии в то же время могут сами являться чувствительными к температуре элементами. При этом очень затруднено, а без приня­ тия специальных мер и вообще невозможно использова­ ние иизкоомных датчиков температуры с величиной сопротивления, соизмеримой с сопротивлением линии.

Создание датчика температуры с р-п переходом даст возможность решить проблему создания высокоомного датчика температуры, имеющего линейную термометри­ ческую характеристику.

При этом сопротивление датчика температуры в за­ висимости от схемы включения и выбора параметров ее элементов может составлять от единиц до сотен килоом.

Для измерения температуры морской воды удобно использовать самопишущие приборы (автоматические самопишущие мосты или потенциометры). Применение таких приборов позволяет не только измерять темпера­ туру, но и контролировать характер ее изменения во времени.

Применение в подобных схемах высокоомных термо­ чувствительных элементов дает возможность значитель­ но повысить точность измерения в связи о тем, что сопротивлением длинной линии и тем более его изме­ нением от различных факторов можно пренебречь.

В автоматических мостах обычно применяют измери­ тельную мостовую схему, показанную на рис. 4-10, где

питания постоянного тока. При каждом изменении температуры мост выходит из равновесия и на входе усилителя появляется напряжение. Под воздействием

164

этого напряжения, усиленного усилителем, приходит в движение двигатель. Двигатель перемещает движок реохорда в новое положение, при котором мост опять придет в равновесие, но уже при новом значении тем­ пературы. Таким образом, каждому значению темпера­ туры соответствует определенное положение движка

Рис. 4-10. Схемы устройства дистанционного контроля тем­ пературы.

реохорда и связанного с ним указателя отсчет-ного уст­

сопротивления является погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии вследствие колебании температуры окружающей среды. Сопротивление линий при больших расстояниях (до нескольких сотен — тысяч метров) может составлять сопротивление более 1 ком, и линия -сама может стать термочувствительной. В том случае, если номинальное сопротивление термочувстви­ тельного элемента больше сопротивления линии, то погрешность измерения температуры может быть умень­

165

в диагональ питания. Такое включение позволяет ском­ пенсировать температурные изменения двух, входящих в смежные плечи, длинных линий. Дополнительной ком­ пенсацией является включение уравнительных катушек в длинные линии смежных плеч. Такая необходимость появляется вследствие того, что длинные линии, как пра­ вило, «е симметричны.

Наиболее, перспективными с точки зрения использо­

ленные на основе кремниевых р-п переходов. Так, при токе /д=20 мка сопротивление термодатчика по основе полупроводникового диода типа ДЮЗ составляет 27,5 ком, что в десятки раз выше сопротивления длинной линии. Расчет семейства вольт-амперных характеристик для различных температур среды кремниевых р-п переходов

требуемого тока / д через термодатчик.

Инерционность термодатчика может быть значитель­ но уменьшена за счет разработки специальной бескор­ пусной конструкции. В этом случае инерционность мо­ жет составлять менее 0,1 сек.

Следует обратить внимание на то, что величина на­ пряжения питания берется значительно больше (как правило, более 4—5 в) по сравнению с падением напря­ жения на термодатчике, которое составляет обычно десятые доли вольта. Поэтому можно считать, что в этом случае Unm= oo.

Наиболее хорошие результаты можно получить, при­ меняя для автоматической регистрации температуры автоматический мост типа КСМ пли автоматический потенциометр типа КСП (например, КСП-4).

Два варианта электрических схем измерителей тем­ пературы морской воды приведены на рис. 4-10,а и б. Эти схемы отличаются тем, что в них применен термо­ чувствительный элемент на основе р-п перехода, вклю­ ченный в две различные синтезированные цепочки.

Таким образом, в данной схеме в качестве термо­ чувствительного элемента морской воды предложено использовать датчик температуры с р-п переходом, сме­ щенным в прямом направлении, сопротивление которого может достигать десятков и сотен килоом, термометри­ ческая характеристика падения напряжения на котором

166

при постоянном значении тока через него линейна в диа­ пазоне температур —2ч--Ь30°С и чувствительность ко­ торого по температуре составляет 2—3 мв/°С.

Кроме того, в результате проведенных эксперимен­ тальных исследований выявлено, что наиболее жела­ тельно применение для измерения температуры морской воды кремниевых р-п переходов, как наиболее высоко­ омных по сравнению с другими в связи с наличием на их вольт-амперной характеристике характерной «пятки».

С целью обеспечения взаимозаменяемости датчиков температуры необходимо осуществлять синтез цепей с ними.

4-5. АППАРАТУРА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ БУРЯЩИХСЯ СКВАЖИН

Вопросами измерения температур в бурящихся скважинах, уделяется серьезное внимание, так как теп­ ловая энергия земли является следствием многих сква­ жинных процессов. Измерение температуры производит­ ся специальной аппаратурой, спускаемой в скважину на кабель-тросе либо на колонне бурильных труб. Инфор­ мация о контролируемой температуре передается на поверхность земли или фиксируется забойными регист­ раторами на различных носителях информации [Л. 59]. При проводке нефтяных и газовых скважин электробу­ рами, питание которых осуществляется по схеме два провода — труба, с использованием для измерения тем­ пературы одного из погружных полупроводниковых устройств необходимо извлечь из скважины буровой ин­ струмент, после чего становится возможные спуск по­ гружной части измерительного устройства на специаль­ ном кабеле и прием поступающей от него информации наземным регистратором.

Необходимость извлечения инструмента для произ­ водства измерения температуры является основным не­ достатком применения подобного типа устройств ввиду значительных потерь рабочего времени.

Использование других устройств предполагает мон­ таж в компоновке низа бурильной колонны контейнера с чувствительным элементом температуры, связанного кабелем с наземным измерительным прибором. Несмот­ ря на то, что использование этих устройств позволяет исключить недостаток первых, они сами обладают тем

167

недостатком, что усложняют компоновку низа буриль­ ной колонны и снижают их надежность ввиду наличия в них погружного контейнера специально для измерения температуры.

Аппаратура для скважинных замеров температуры, включающая в себя датчики и регистрирующие устрой­ ства, должна быть рассчитана на эксплуатацию в сле­ дующих условиях: гидростатическое давление до 1 760 кгс/см2 и максимальная окружающая температура около 230 °С при глубине скважины до 9 000 м; вибро­ ускорения от 10 до 22 при частотах 400—15 гц. Корпус глубинной части аппаратуры должен быть выполнен из материала, стойкого к абразивному воздействию про­ мывочного раствора, а ее габарит должен быть мини­ мальным, причем наружный диаметр не должен пре­ вышать 40—50 мм. Сами приборы должны быть доста­ точно простыми в эксплуатации и надежны по конструкции. Весьма важным фактором является их стоимость и хорошие метрологические характеристики (постоянная времени, чувствительность, точность изме­ рения, отсутствие гистерезиса и т. д .).

В известных в настоящее время методах измерения температуры, предусматривающих привязку результа­ тов измерения ко времени и глубине, время определяет­ ся работой лентопротяжного механизма, а глубина — длиной троса или колонны бурильных труб, на которых спускается в скважину измерительная аппаратура. При такой методике определения масштабных величин не­ избежны ошибки измерения, а сам процесс расшифров­ ки связан с потерями времени. Более точные данные могут быть получены при спуске приборов на кабельтросе, в этом случае можно вести совмещенную запись измеряемого параметра в функции глубины погружения и времени спуска прибора «а забой.

При электробурении измерение различных забойных параметров и в том числе температуры осуществляется посредством телеметрических систем, которые передают информацию об измеряемом параметре до токоподвода электробура. При этом способе бурения, особенно при бурении сверхглубоких скважин, сравнительно просты­ ми техническими средствами, связанными с. приводом скважины, можно получить информацию о забойной температуре с достаточной точностью и без погрешно­ стей.

168

Питание погружного электродвигателя по схеме два провода — колонна труб потребовало разработки для целей контроля сопротивления изоляции специального устройства, через которое одна из фаз электробура под­ соединяется к колонне бурильных труб. Такое устройст­ во обеспечивает нормальный электрический режим пита-

/-ч_>

ния электробура и измерение сопротивления изоляции при спуско-подъемных операциях, посредством назем­ ного прибора.

Коммутирующий узел 2 (рис. 4-11) устройства вы­ полнен на включенных встречно-параллельно силовых кремниевых полупроводниковых приборах — диоде Дз и тиристоре Гц, управляющий электрод которого через конденсатор С2 подсоединен к его аноду. Так как напря­ жение переключения тиристора (Ппер) является функ­ цией температуры і[Л. 147] окружающей среды, то, следо­ вательно, глубинная часть устройства для контроля изоляции (УКИ), кроме выполнения своих основных функций, может быть использована в качестве датчика температуры. Сочетание таких свойств дает возможность

без дополнительных затрат п разработки новой аппара­ туры в процессе эксплуатации УКИ получить информа­ цию об .изменении забойной температуры в процессе бурения скважины и, в частности, измерить:

1)забойную температуру по стволу скважины для случая длительного отсутствия циркуляции бурового раствора;

2)забойную теі\іпературу при циркуляции и отклю­ ченном электробуре;

3)забойную температуру в процессе работы элек­ тробура;

4)получить ряд зависимостей температуры в сква­ жине от расхода промывочной жидкости и ее физико­

термочувствительного элемента был разработан прибор, позволяющий вести измерения забойной температуры с оттарированными в лабораторных условиях коммути­ рующими узлами. В процессе тарировки в лаборатор­ ных условиях производился контролируемый нагрев коммутирующего устройства и измерялось с помощью разработанного прибора напряжение переключения тиристора. Расчет зависимости напряжения переключе­ ния, тиристора для различных температур среды можно производить по методике, предложенной в {Л. 65].

Прибор представляет собой переносное влагозащи­ щенное устройство, питание которого осуществляется от сети 50 гц 220 в.

При измерении температуры в скважине, а также при тарировке коммутирующего узла УКИ в лаборатор­ ных условиях с помощью прибора (рис. 4-11) напряже­ ние подается через автотрансформатор Трі блока пита­ ния 1 на разделительный трансформатор Тр2, выход которого через резистор Ri подключей к коммутирую­ щему узлу УКИ. Ток в положительный полупериод про­ текает через тиристор, открывающийся током заряда конденсатора С2.

До открытия тиристора Та ток в цепи незначитель­ ный и почти все напряжение положительной полуволны приложено к конденсаторам Сі и С2, заряжая их. При открытии тиристора Та ток в цепи резко возрастет и скачком увеличивается падение напряжения на резисто­ ре Ru Конденсатор Сі разряжается через вольтметр,

170

максимальное показание которого соответствует напря­ жению переключения тиристора.

Измерение температуры в скважине производится в следующей последовательности: с помощью специаль­ ного щупа прибор подключается в одной из незаземленных фаз токоподвода электробура, который .предвари­ тельно отключается от питающей сети. Ручку установки напряжения автотрансформатора необходимо устано­ вить на «нуль» и включить тумблер «Сеть» и, повора­ чивая ручку автотрансформатора, определить по вольт­ метру напряжение переключения тиристора УКИ. Пользуясь графиком зависимости UnüV=f {Т) , можно определить температуру.

Устройство УКИ конструктивно выполнено в виде участка бурильной колонны, внутри которого распола­ гается герметический контейнер с коммутирующим узлом и системой кабельного ввода с уплотнениями. Коммутирующий узел выполнен как моноблок, общее медное основание которого служит для обоих вентилей одновременно токопроводящим элементом и теплоотво­ дом. Плотное прилегание этого основания к днищу кор­ пуса контейнера, омываемого по всей поверхности буро­ вым раствором, обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла от корпусов обоих вентилей, уравнивая их температуру с температурой циркулирующего раствора. Разброс температурных характеристик различных ком­ мутирующих узлов УКИ велик и поэтому каждый из узлов требует индивидуальной тарировки. Однако ли­ нейность характеристик высокая, что упрощает снятие характеристик, ограничивая процесс тарировки двумя точка-ми. Учитывая, что подбором емкости конденсатора можно регулировать характеристику узла в достаточно широких пределах, в процессе тарировки узла может быть получена оптимальная по чувствительности стан­ дартная характеристика.

Экспериментальные характеристики, определенные для 100 тиристоров, показывают, что: 1) зависимость напряжения переключения от температуры является ли­ нейной функцией; 2) характеристика U„ev=f(T) практи­ чески не имеет гистерезиса и достаточно стабильна во времени; 3) подбором элементов цепи управления воз­ можно получение стандартной характеристики; 4) чув­ ствительность тиристора как датчика температуры по напряжению -может достигать значений от 1 до 20 вольт

прибора, регистрирующего температуру, не сказывается сопротивление линии связи.. ■

На рис. 4-12 график характеризует зависимость тем­ пературы от глубины погружения устройства, смятый при бурении скважины. При этом измерения темпера­ туры на скважине проводились устройством, отличаю­

мутирующий узел его встроен в верхний корпус элек­ тробура.

При измерении температуры в бурящихся скважинах аппаратура, как правило, устанавливается внутри ко­ лонны бурильных труб, что затрудняет определение тем­ пературы восходящего потока промывочной жидкости и определение потоков тепла, излучаемых пластами при остановке режима бурения.

В настоящее время имеются технические возможно­ сти разработки измерительной аппаратуры, позволяю­ щей производить измерения температуры бурового рас­ твора, циркулирующего внутри колонны бурильных труб и в затрубном пространстве.

Информация об измеряемых параметрах этой аппа­ ратурой передается по проводному каналу связи (токо­ подводу— при электробурении, однопрозодному каналу связи сбросного типа — при турбинном и роторном бу­ рении) .

В настоящее время ведутся промышленные испыта­ ния телеметрических систем и предусмотрено их ши­ рокое внедрение при бурении эксплуатационных и разведочных скважин, в том числе и при бурении сверх­ глубоких скважин. Путем доработки конструкции теле­ метрических систем возможно в процессе бурения про­

172

изводить измерения температур в любой точке приза­ бойной зоны и ’В зоне забоя.

Более высокую точность измерения имеет устройство, электрическая схема которого представлена на рис. 4-13. Она состоит из следующих узлов: дополнительного ком­ мутирующего блока 1, выполненного на включенных

сторе.

встречно-параллельно тиристоре и вентиле с конденса­ тором в цепи управления и .включенного в линию пита­ ния электроустановки (13) в том месте линии, где заведомо известна температура; датчика тока 2 в виде токового трансформатора; формирователя 3 измеритель­ ных импульсов в виде выпрямительного моста 5, входом соединенного с выходом датчика тока, а выходом под­ ключенного ко входу триггера 6 (триггер Шмитта); основного коммутирующего блока, аналогичного перво­ му, но включенного в том месте линии, где необходимо контролировать —температуру; тиристоров основного и

173